CN116830301A - 正极活性材料及其制备方法、正极极片、二次电池、电池模块、电池包及用电装置 - Google Patents
正极活性材料及其制备方法、正极极片、二次电池、电池模块、电池包及用电装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116830301A CN116830301A CN202280012894.9A CN202280012894A CN116830301A CN 116830301 A CN116830301 A CN 116830301A CN 202280012894 A CN202280012894 A CN 202280012894A CN 116830301 A CN116830301 A CN 116830301A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- positive electrode
- active material
- electrode active
- range
- optionally
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000007774 positive electrode material Substances 0.000 title claims abstract description 273
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title abstract description 126
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims abstract description 25
- 229910013716 LiNi Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 74
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 66
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 60
- WMFOQBRAJBCJND-UHFFFAOYSA-M Lithium hydroxide Chemical compound [Li+].[OH-] WMFOQBRAJBCJND-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 45
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 30
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 25
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 claims description 25
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 24
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 22
- 230000007547 defect Effects 0.000 claims description 20
- XGZVUEUWXADBQD-UHFFFAOYSA-L lithium carbonate Chemical compound [Li+].[Li+].[O-]C([O-])=O XGZVUEUWXADBQD-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 20
- 229910052808 lithium carbonate Inorganic materials 0.000 claims description 20
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 20
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 claims description 17
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 claims description 16
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 15
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 13
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 11
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 10
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 7
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 claims description 3
- 238000009831 deintercalation Methods 0.000 claims description 3
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 abstract description 21
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 abstract description 7
- 239000011572 manganese Substances 0.000 description 79
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N Phosphoric acid Chemical compound OP(O)(O)=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 48
- RGVLTEMOWXGQOS-UHFFFAOYSA-L manganese(2+);oxalate Chemical compound [Mn+2].[O-]C(=O)C([O-])=O RGVLTEMOWXGQOS-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 28
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 25
- 229910000147 aluminium phosphate Inorganic materials 0.000 description 24
- -1 fe and Co Inorganic materials 0.000 description 24
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 24
- 229910004283 SiO 4 Inorganic materials 0.000 description 23
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 22
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 21
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 19
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 18
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 17
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 17
- 238000005056 compaction Methods 0.000 description 15
- 230000008569 process Effects 0.000 description 15
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 15
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 14
- 238000007086 side reaction Methods 0.000 description 13
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 12
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 12
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 11
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 11
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 11
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 11
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 10
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 10
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 10
- 238000009616 inductively coupled plasma Methods 0.000 description 10
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 10
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 10
- MUBZPKHOEPUJKR-UHFFFAOYSA-N Oxalic acid Chemical compound OC(=O)C(O)=O MUBZPKHOEPUJKR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 9
- ILXAVRFGLBYNEJ-UHFFFAOYSA-K lithium;manganese(2+);phosphate Chemical compound [Li+].[Mn+2].[O-]P([O-])([O-])=O ILXAVRFGLBYNEJ-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 9
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 9
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 9
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N Manganese Chemical compound [Mn] PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 8
- 238000007600 charging Methods 0.000 description 8
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 8
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 8
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 8
- 239000006258 conductive agent Substances 0.000 description 8
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 8
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 description 8
- 239000011164 primary particle Substances 0.000 description 8
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 8
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 8
- 241000080590 Niso Species 0.000 description 7
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 description 7
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 7
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 7
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 7
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 description 7
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 7
- 238000001694 spray drying Methods 0.000 description 7
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 6
- 238000000498 ball milling Methods 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 6
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 6
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 6
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 6
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 6
- 229910019142 PO4 Inorganic materials 0.000 description 5
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-L Sulfate Chemical compound [O-]S([O-])(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 5
- 239000006230 acetylene black Substances 0.000 description 5
- 239000006183 anode active material Substances 0.000 description 5
- 239000002585 base Substances 0.000 description 5
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 5
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 5
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 5
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 5
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 description 5
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K phosphate Chemical compound [O-]P([O-])([O-])=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 5
- 239000010452 phosphate Substances 0.000 description 5
- 229920001707 polybutylene terephthalate Polymers 0.000 description 5
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 5
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 5
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 5
- 239000004576 sand Substances 0.000 description 5
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L Carbonate Chemical compound [O-]C([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 4
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N N-Methylpyrrolidone Chemical compound CN1CCCC1=O SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- CZMRCDWAGMRECN-UGDNZRGBSA-N Sucrose Chemical compound O[C@H]1[C@H](O)[C@@H](CO)O[C@@]1(CO)O[C@@H]1[C@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](CO)O1 CZMRCDWAGMRECN-UGDNZRGBSA-N 0.000 description 4
- 229930006000 Sucrose Natural products 0.000 description 4
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 4
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 4
- 239000006182 cathode active material Substances 0.000 description 4
- IEJIGPNLZYLLBP-UHFFFAOYSA-N dimethyl carbonate Chemical compound COC(=O)OC IEJIGPNLZYLLBP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 4
- 239000011267 electrode slurry Substances 0.000 description 4
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 4
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 4
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 4
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229920000139 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 description 4
- 239000005020 polyethylene terephthalate Substances 0.000 description 4
- 239000005720 sucrose Substances 0.000 description 4
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- OIFBSDVPJOWBCH-UHFFFAOYSA-N Diethyl carbonate Chemical compound CCOC(=O)OCC OIFBSDVPJOWBCH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- XEKOWRVHYACXOJ-UHFFFAOYSA-N Ethyl acetate Chemical compound CCOC(C)=O XEKOWRVHYACXOJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- KMTRUDSVKNLOMY-UHFFFAOYSA-N Ethylene carbonate Chemical compound O=C1OCCO1 KMTRUDSVKNLOMY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910002651 NO3 Inorganic materials 0.000 description 3
- NHNBFGGVMKEFGY-UHFFFAOYSA-N Nitrate Chemical compound [O-][N+]([O-])=O NHNBFGGVMKEFGY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000004372 Polyvinyl alcohol Substances 0.000 description 3
- 239000011149 active material Substances 0.000 description 3
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 3
- 239000001768 carboxy methyl cellulose Substances 0.000 description 3
- KRKNYBCHXYNGOX-UHFFFAOYSA-N citric acid Chemical compound OC(=O)CC(O)(C(O)=O)CC(O)=O KRKNYBCHXYNGOX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000004993 emission spectroscopy Methods 0.000 description 3
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 3
- 239000012065 filter cake Substances 0.000 description 3
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 3
- 239000007773 negative electrode material Substances 0.000 description 3
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 150000007524 organic acids Chemical class 0.000 description 3
- GEVPUGOOGXGPIO-UHFFFAOYSA-N oxalic acid;dihydrate Chemical compound O.O.OC(=O)C(O)=O GEVPUGOOGXGPIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 3
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 3
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 description 3
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 3
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 3
- HHVIBTZHLRERCL-UHFFFAOYSA-N sulfonyldimethane Chemical compound CS(C)(=O)=O HHVIBTZHLRERCL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 3
- IXPNQXFRVYWDDI-UHFFFAOYSA-N 1-methyl-2,4-dioxo-1,3-diazinane-5-carboximidamide Chemical compound CN1CC(C(N)=N)C(=O)NC1=O IXPNQXFRVYWDDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- IUVCFHHAEHNCFT-INIZCTEOSA-N 2-[(1s)-1-[4-amino-3-(3-fluoro-4-propan-2-yloxyphenyl)pyrazolo[3,4-d]pyrimidin-1-yl]ethyl]-6-fluoro-3-(3-fluorophenyl)chromen-4-one Chemical compound C1=C(F)C(OC(C)C)=CC=C1C(C1=C(N)N=CN=C11)=NN1[C@@H](C)C1=C(C=2C=C(F)C=CC=2)C(=O)C2=CC(F)=CC=C2O1 IUVCFHHAEHNCFT-INIZCTEOSA-N 0.000 description 2
- 229910001316 Ag alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N Ammonium hydroxide Chemical compound [NH4+].[OH-] VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- BTBUEUYNUDRHOZ-UHFFFAOYSA-N Borate Chemical compound [O-]B([O-])[O-] BTBUEUYNUDRHOZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000990 Ni alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 229920002845 Poly(methacrylic acid) Polymers 0.000 description 2
- 239000004793 Polystyrene Substances 0.000 description 2
- 229920002125 Sokalan® Polymers 0.000 description 2
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000004308 accommodation Effects 0.000 description 2
- DPXJVFZANSGRMM-UHFFFAOYSA-N acetic acid;2,3,4,5,6-pentahydroxyhexanal;sodium Chemical compound [Na].CC(O)=O.OCC(O)C(O)C(O)C(O)C=O DPXJVFZANSGRMM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005054 agglomeration Methods 0.000 description 2
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 2
- 235000011114 ammonium hydroxide Nutrition 0.000 description 2
- 229910021383 artificial graphite Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 2
- 239000002134 carbon nanofiber Substances 0.000 description 2
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 2
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 2
- 239000011889 copper foil Substances 0.000 description 2
- MNNHAPBLZZVQHP-UHFFFAOYSA-N diammonium hydrogen phosphate Chemical compound [NH4+].[NH4+].OP([O-])([O-])=O MNNHAPBLZZVQHP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000005430 electron energy loss spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 125000002573 ethenylidene group Chemical group [*]=C=C([H])[H] 0.000 description 2
- FKRCODPIKNYEAC-UHFFFAOYSA-N ethyl propionate Chemical compound CCOC(=O)CC FKRCODPIKNYEAC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000007667 floating Methods 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 238000005469 granulation Methods 0.000 description 2
- 230000003179 granulation Effects 0.000 description 2
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 2
- 150000004820 halides Chemical class 0.000 description 2
- 229910021385 hard carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-M hydroxide Chemical compound [OH-] XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 2
- 230000002401 inhibitory effect Effects 0.000 description 2
- 238000009830 intercalation Methods 0.000 description 2
- 230000002687 intercalation Effects 0.000 description 2
- 230000037427 ion transport Effects 0.000 description 2
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 2
- 239000003273 ketjen black Substances 0.000 description 2
- 238000003475 lamination Methods 0.000 description 2
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 2
- 150000002696 manganese Chemical class 0.000 description 2
- NUJOXMJBOLGQSY-UHFFFAOYSA-N manganese dioxide Chemical compound O=[Mn]=O NUJOXMJBOLGQSY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- WPBNNNQJVZRUHP-UHFFFAOYSA-L manganese(2+);methyl n-[[2-(methoxycarbonylcarbamothioylamino)phenyl]carbamothioyl]carbamate;n-[2-(sulfidocarbothioylamino)ethyl]carbamodithioate Chemical compound [Mn+2].[S-]C(=S)NCCNC([S-])=S.COC(=O)NC(=S)NC1=CC=CC=C1NC(=S)NC(=O)OC WPBNNNQJVZRUHP-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 2
- TZIHFWKZFHZASV-UHFFFAOYSA-N methyl formate Chemical compound COC=O TZIHFWKZFHZASV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000006386 neutralization reaction Methods 0.000 description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 2
- 235000005985 organic acids Nutrition 0.000 description 2
- 235000006408 oxalic acid Nutrition 0.000 description 2
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 2
- 229920002401 polyacrylamide Polymers 0.000 description 2
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 2
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 2
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 2
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 239000000047 product Substances 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 238000011076 safety test Methods 0.000 description 2
- 238000007790 scraping Methods 0.000 description 2
- 238000012216 screening Methods 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 238000007873 sieving Methods 0.000 description 2
- 239000002210 silicon-based material Substances 0.000 description 2
- 238000002791 soaking Methods 0.000 description 2
- 239000000661 sodium alginate Substances 0.000 description 2
- 235000010413 sodium alginate Nutrition 0.000 description 2
- 229940005550 sodium alginate Drugs 0.000 description 2
- 235000019812 sodium carboxymethyl cellulose Nutrition 0.000 description 2
- 229920001027 sodium carboxymethylcellulose Polymers 0.000 description 2
- 229920003048 styrene butadiene rubber Polymers 0.000 description 2
- 229920001897 terpolymer Polymers 0.000 description 2
- 239000002562 thickening agent Substances 0.000 description 2
- 239000011366 tin-based material Substances 0.000 description 2
- 229910000314 transition metal oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000001291 vacuum drying Methods 0.000 description 2
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 2
- ZZXUZKXVROWEIF-UHFFFAOYSA-N 1,2-butylene carbonate Chemical compound CCC1COC(=O)O1 ZZXUZKXVROWEIF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HNAGHMKIPMKKBB-UHFFFAOYSA-N 1-benzylpyrrolidine-3-carboxamide Chemical compound C1C(C(=O)N)CCN1CC1=CC=CC=C1 HNAGHMKIPMKKBB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- MBDUIEKYVPVZJH-UHFFFAOYSA-N 1-ethylsulfonylethane Chemical compound CCS(=O)(=O)CC MBDUIEKYVPVZJH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UHOPWFKONJYLCF-UHFFFAOYSA-N 2-(2-sulfanylethyl)isoindole-1,3-dione Chemical compound C1=CC=C2C(=O)N(CCS)C(=O)C2=C1 UHOPWFKONJYLCF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- YEJRWHAVMIAJKC-UHFFFAOYSA-N 4-Butyrolactone Chemical compound O=C1CCCO1 YEJRWHAVMIAJKC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- SBLRHMKNNHXPHG-UHFFFAOYSA-N 4-fluoro-1,3-dioxolan-2-one Chemical compound FC1COC(=O)O1 SBLRHMKNNHXPHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004254 Ammonium phosphate Substances 0.000 description 1
- 229920002134 Carboxymethyl cellulose Polymers 0.000 description 1
- 229920001661 Chitosan Polymers 0.000 description 1
- 229910000881 Cu alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000005696 Diammonium phosphate Substances 0.000 description 1
- WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N Glucose Natural products OC[C@H]1OC(O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N 0.000 description 1
- JGFBQFKZKSSODQ-UHFFFAOYSA-N Isothiocyanatocyclopropane Chemical compound S=C=NC1CC1 JGFBQFKZKSSODQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 101150058243 Lipf gene Proteins 0.000 description 1
- RJUFJBKOKNCXHH-UHFFFAOYSA-N Methyl propionate Chemical compound CCC(=O)OC RJUFJBKOKNCXHH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910018663 Mn O Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910003176 Mn-O Inorganic materials 0.000 description 1
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N Orthosilicate Chemical compound [O-][Si]([O-])([O-])[O-] BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241001675646 Panaceae Species 0.000 description 1
- 239000002202 Polyethylene glycol Substances 0.000 description 1
- XBDQKXXYIPTUBI-UHFFFAOYSA-M Propionate Chemical compound CCC([O-])=O XBDQKXXYIPTUBI-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 229910000676 Si alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001128 Sn alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920002472 Starch Polymers 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920006172 Tetrafluoroethylene propylene Polymers 0.000 description 1
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HMDDXIMCDZRSNE-UHFFFAOYSA-N [C].[Si] Chemical class [C].[Si] HMDDXIMCDZRSNE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UMVBXBACMIOFDO-UHFFFAOYSA-N [N].[Si] Chemical class [N].[Si] UMVBXBACMIOFDO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OBNDGIHQAIXEAO-UHFFFAOYSA-N [O].[Si] Chemical class [O].[Si] OBNDGIHQAIXEAO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- KXKVLQRXCPHEJC-UHFFFAOYSA-N acetic acid trimethyl ester Natural products COC(C)=O KXKVLQRXCPHEJC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 239000002671 adjuvant Substances 0.000 description 1
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 1
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 1
- LFVGISIMTYGQHF-UHFFFAOYSA-N ammonium dihydrogen phosphate Chemical compound [NH4+].OP(O)([O-])=O LFVGISIMTYGQHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000387 ammonium dihydrogen phosphate Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000148 ammonium phosphate Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000019289 ammonium phosphates Nutrition 0.000 description 1
- 150000003863 ammonium salts Chemical class 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- QZPSXPBJTPJTSZ-UHFFFAOYSA-N aqua regia Chemical compound Cl.O[N+]([O-])=O QZPSXPBJTPJTSZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 1
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 1
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- WQZGKKKJIJFFOK-VFUOTHLCSA-N beta-D-glucose Chemical compound OC[C@H]1O[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-VFUOTHLCSA-N 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- OBNCKNCVKJNDBV-UHFFFAOYSA-N butanoic acid ethyl ester Natural products CCCC(=O)OCC OBNCKNCVKJNDBV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PWLNAUNEAKQYLH-UHFFFAOYSA-N butyric acid octyl ester Natural products CCCCCCCCOC(=O)CCC PWLNAUNEAKQYLH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 235000010948 carboxy methyl cellulose Nutrition 0.000 description 1
- 125000002057 carboxymethyl group Chemical group [H]OC(=O)C([H])([H])[*] 0.000 description 1
- 239000008112 carboxymethyl-cellulose Substances 0.000 description 1
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 238000010280 constant potential charging Methods 0.000 description 1
- 238000010277 constant-current charging Methods 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 229920001577 copolymer Polymers 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 239000011162 core material Substances 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000001739 density measurement Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 229910000388 diammonium phosphate Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000019838 diammonium phosphate Nutrition 0.000 description 1
- VUPKGFBOKBGHFZ-UHFFFAOYSA-N dipropyl carbonate Chemical compound CCCOC(=O)OCCC VUPKGFBOKBGHFZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000619 electron energy-loss spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000010828 elution Methods 0.000 description 1
- 238000000295 emission spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 229940093499 ethyl acetate Drugs 0.000 description 1
- JBTWLSYIZRCDFO-UHFFFAOYSA-N ethyl methyl carbonate Chemical compound CCOC(=O)OC JBTWLSYIZRCDFO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QKBJDEGZZJWPJA-UHFFFAOYSA-N ethyl propyl carbonate Chemical compound [CH2]COC(=O)OCCC QKBJDEGZZJWPJA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 206010016766 flatulence Diseases 0.000 description 1
- ZYMKZMDQUPCXRP-UHFFFAOYSA-N fluoro prop-2-enoate Chemical compound FOC(=O)C=C ZYMKZMDQUPCXRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 description 1
- 239000008103 glucose Substances 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- CPSYWNLKRDURMG-UHFFFAOYSA-L hydron;manganese(2+);phosphate Chemical compound [Mn+2].OP([O-])([O-])=O CPSYWNLKRDURMG-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 238000002354 inductively-coupled plasma atomic emission spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000002386 leaching Methods 0.000 description 1
- MHCFAGZWMAWTNR-UHFFFAOYSA-M lithium perchlorate Chemical compound [Li+].[O-]Cl(=O)(=O)=O MHCFAGZWMAWTNR-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 229910001486 lithium perchlorate Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001386 lithium phosphate Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001496 lithium tetrafluoroborate Inorganic materials 0.000 description 1
- IGILRSKEFZLPKG-UHFFFAOYSA-M lithium;difluorophosphinate Chemical compound [Li+].[O-]P(F)(F)=O IGILRSKEFZLPKG-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- SNKMVYBWZDHJHE-UHFFFAOYSA-M lithium;dihydrogen phosphate Chemical compound [Li+].OP(O)([O-])=O SNKMVYBWZDHJHE-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- MCVFFRWZNYZUIJ-UHFFFAOYSA-M lithium;trifluoromethanesulfonate Chemical compound [Li+].[O-]S(=O)(=O)C(F)(F)F MCVFFRWZNYZUIJ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 239000011656 manganese carbonate Substances 0.000 description 1
- 229940093474 manganese carbonate Drugs 0.000 description 1
- 235000006748 manganese carbonate Nutrition 0.000 description 1
- 229910000016 manganese(II) carbonate Inorganic materials 0.000 description 1
- XMWCXZJXESXBBY-UHFFFAOYSA-L manganese(ii) carbonate Chemical compound [Mn+2].[O-]C([O-])=O XMWCXZJXESXBBY-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 229940017219 methyl propionate Drugs 0.000 description 1
- KKQAVHGECIBFRQ-UHFFFAOYSA-N methyl propyl carbonate Chemical compound CCCOC(=O)OC KKQAVHGECIBFRQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 1
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 1
- 238000003801 milling Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 235000019837 monoammonium phosphate Nutrition 0.000 description 1
- 239000006012 monoammonium phosphate Substances 0.000 description 1
- YKYONYBAUNKHLG-UHFFFAOYSA-N n-Propyl acetate Natural products CCCOC(C)=O YKYONYBAUNKHLG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UUIQMZJEGPQKFD-UHFFFAOYSA-N n-butyric acid methyl ester Natural products CCCC(=O)OC UUIQMZJEGPQKFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021382 natural graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004745 nonwoven fabric Substances 0.000 description 1
- 239000008188 pellet Substances 0.000 description 1
- 238000011056 performance test Methods 0.000 description 1
- 235000011007 phosphoric acid Nutrition 0.000 description 1
- 239000002985 plastic film Substances 0.000 description 1
- 229920006255 plastic film Polymers 0.000 description 1
- 229920001495 poly(sodium acrylate) polymer Polymers 0.000 description 1
- 229920002961 polybutylene succinate Polymers 0.000 description 1
- 239000004631 polybutylene succinate Substances 0.000 description 1
- 229920001223 polyethylene glycol Polymers 0.000 description 1
- 238000003918 potentiometric titration Methods 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 229940090181 propyl acetate Drugs 0.000 description 1
- RUOJZAUFBMNUDX-UHFFFAOYSA-N propylene carbonate Chemical compound CC1COC(=O)O1 RUOJZAUFBMNUDX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 description 1
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 239000011163 secondary particle Substances 0.000 description 1
- 238000012163 sequencing technique Methods 0.000 description 1
- RMAQACBXLXPBSY-UHFFFAOYSA-N silicic acid Chemical compound O[Si](O)(O)O RMAQACBXLXPBSY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 1
- 239000002153 silicon-carbon composite material Substances 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 1
- NNMHYFLPFNGQFZ-UHFFFAOYSA-M sodium polyacrylate Chemical compound [Na+].[O-]C(=O)C=C NNMHYFLPFNGQFZ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 229910021384 soft carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000008107 starch Substances 0.000 description 1
- 235000019698 starch Nutrition 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 238000012916 structural analysis Methods 0.000 description 1
- HXJUTPCZVOIRIF-UHFFFAOYSA-N sulfolane Chemical compound O=S1(=O)CCCC1 HXJUTPCZVOIRIF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 description 1
- XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N tin dioxide Chemical compound O=[Sn]=O XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001887 tin oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001428 transition metal ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000032258 transport Effects 0.000 description 1
- ZSDSQXJSNMTJDA-UHFFFAOYSA-N trifluralin Chemical compound CCCN(CCC)C1=C([N+]([O-])=O)C=C(C(F)(F)F)C=C1[N+]([O-])=O ZSDSQXJSNMTJDA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- TWQULNDIKKJZPH-UHFFFAOYSA-K trilithium;phosphate Chemical compound [Li+].[Li+].[Li+].[O-]P([O-])([O-])=O TWQULNDIKKJZPH-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- NQPDZGIKBAWPEJ-UHFFFAOYSA-N valeric acid Chemical compound CCCCC(O)=O NQPDZGIKBAWPEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
- H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
- H01M4/56—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of lead
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
Abstract
本申请提供了混合的正极活性材料及其制备方法、正极极片、二次电池、电池模块、电池包和用电装置。正极活性材料,包含第一正极活性材料和第二正极活性材料;其中,第一正极活性材料包含化合物LiNibCodMneMfO2,第二正极活性材料包含化合物LiaAxMn1‑yByP1‑zCzO4‑nDn。本申请通过将第一正极活性材料和第二正极活性材料混合使用,提高了二次电池的循环容量保持率,延长了二次电池的循环寿命,提高了二次电池的安全性。
Description
技术领域
本申请涉及二次电池技术领域,尤其涉及一种正极活性材料及其制备方法、正极极片、二次电池、电池模块、电池包和用电装置。
背景技术
近年来,随着二次电池的应用范围越来越广泛,二次电池广泛应用于水力、火力、风力和太阳能电站等储能电源系统,以及电动工具、电动自行车、电动摩托车、电动汽车、军事装备、航空航天等多个领域。由于二次电池取得了极大的发展,因此对其能量密度、循环性能和安全性能等也提出了更高的要求。作为二次电池现有的正极活性材料,磷酸锰锂在充放电过程中,容易产生Li/Mn反位缺陷,锰溶出较严重,影响了二次电池的克容量,导致二次电池的安全性能和循环性能差。
发明内容
本申请是鉴于上述课题而进行的,其目的在于,提供一种正极活性材料、正极活性材料的制备方法、正极极片、二次电池、电池模块、电池包及用电装置,以解决采用现有正极活性材料所制二次电池的循环容量保持率低、循环寿命短、安全性低的问题。
为了达到上述目的,本申请第一方面提供了一种正极活性材料,包含第一正极活性材料和第二正极活性材料;其中,
第一正极活性材料包含化合物LiNibCodMneMfO2,其中,b选自0.314-0.970的范围,d选自0-0.320的范围、可选为选自0.047-0.320的范围,e选自0.006-0.390的范围,并且,b、d、e和f的总和为1且f大于0,M选自Mn、Al、Mg、Ca、Na、Ti、W、Zr、Sr、Cr、Zn、Ba、B、S和Y中的一种或多种元素,可选地,M为Mg和/或Al;
第二正极活性材料包含化合物LiaAxMn1-yByP1-zCzO4-nDn,a选自0.9至1.1的范围,x选自0.001至0.1的范围,y选自0.001至0.5的范围,z选自0.001至0.1的范围,n选自0.001至0.1的范围,A选自Zn、Al、Na、K、Mg、Nb、Mo和W中的一种或多种元素,B选自Ti、V、Zr、Fe、Ni、Mg、Co、Ga、Sn、Sb、Nb和Ge中的一种或多种元素,C选自B(硼)、S、Si和N中的一种或多种元素,D选自S、F、Cl和Br中的一种或多种元素。
由此,本申请人意外地发现:通过在化合物LiMnPO4的Li位、Mn位、P位和O位同时以特定量掺杂特定的元素获得第二正极活性材料,能获得明显改善的倍率性能,同时显著减少Mn与Mn位掺杂元素的溶出,获得显著改善的循环性能和/或高温稳定性,并且材料的克容量和压实密度也得到提高,界面副反应减少。但是第二正极活性材料仅有一维锂离子传输通道,而第一正极活性材料为层状过渡金属氧化物、具有二维锂离子传输通道,因此,本申请通过将第一正极活性材料和第二正极活性材料混合使用,两种材料的优势互补,提高了二次电池的循环容量保持率,延长了二次电池的循环寿命,提高了二次电池的安全性。
除非另有说明,否则化学式LiaAxMn1-yByP1-zCzO4-nDn中,当A为两种以上元素时,上述对于x数值范围的限定不仅是对每种作为A的元素的化学计量数的限定,也是对各个作为A的元素的化学计量数之和的限定。例如当A为两种以上元素A1、A2……An时,A1、A2……An各自的化学计量数x1、x2……xn各自均需落入本申请对x限定的数值范围内,且x1、x2……xn之和也需落入该数值范围内。类似地,对于B、C和D为两种以上元素的情况,本申请中对B、C和D化学计量数的数值范围的限定也具有上述含义。类似地,对于化学式LiNibCodMneMfO2中的M为两种以上元素的情况,本申请对M化学计量数的数值范围的限定也具有上述含义。
在任意实施方式中,第一正极活性材料的质量为m1,第二正极活性材料的质量为m2,并且m1/(m1+m2)的值为2%-55%,可选为3%-50%。由此,第一正极活性材料在两种正极活性材料中所占的质量百分比在上述范围内,能提高整体正极活性材料的稳定性和安全性。
在任意实施方式中,b×m1/(m1+m2)的值为0.017-0.457,可选为0.025-0.415。由此能进一步改善整体正极活性材料的稳定性和安全性。
在任意实施方式中,第一正极活性材料为单晶或准单晶材料,第一正极活性材料的粒径Dv50为小于或等于5.8μm,可选为2.3-5.8μm,更可选为2.3-4.3μm。
使单晶或准单晶的第一正极活性材料的粒径在上述范围能优化电化学反应面积,进一步减少和抑制二次电池循环过程中正极的界面副反应,降低二次电池的循环衰减速率,延长二次电池的循环寿命。
在任意实施方式中,第一正极活性材料为单晶或准单晶材料时,d选自0.05-0.320的范围,可选为选自0.05-0.282的范围;和/或,
b大于0.314且小于0.97,可选为选自0.55-0.869的范围。
第一正极活性材料为单晶或准单晶材料时,d和b在上述范围内有利于进一步提高正极活性材料的电导率和倍率性能,进一步提高二次电池的循环容量保持率,进一步延长二次电池的循环寿命。
在任意实施方式中,第一正极活性材料为多晶材料时,第一正极活性材料的粒径Dv50为3.5~13.5μm;和/或,
第一正极活性材料的BET比表面积小于或等于1.32m2/g,可选为0.28-1.32m2/g;和/或,
第一正极活性材料在3T压力下的压实密度大于或等于2.92g/cm3,可选为2.92-3.31g/cm3。
使多晶的第一正极活性材料的粒径、比表面积和压实密度在上述范围内能进一步提高正极活性材料的倍率性能,进一步减少和抑制二次电池循环过程中正极的界面副反应,降低二次电池的循环衰减速率,延长二次电池的循环寿命。
在任意实施方式中,第一正极活性材料还包含碳酸锂和/或氢氧化锂;
可选地,基于第一正极活性材料的质量计,碳酸锂的质量含量小于或等于1%,和/或,氢氧化锂的质量含量小于或等于1%。
第二正极活性材料带入的残留水分子可能与电解液反应产生HF,HF易会对正极活性材料本身或负极极片上的SEI膜产生破坏作用,进而影响二次电池寿命。本申请第一正极活性材料中进一步含有的碳酸锂和/或氢氧化锂能与HF进行中和反应,减少或抑制了HF对于正极活性材料或负极极片SEI膜的破坏作用,从而进一步提高了二次电池的循环寿命。
在任意实施方式中,第二正极活性材料中,A选自Zn、Al、Na、K、Mg、Nb、Mo和W中的任一种元素,B选自Ti、V、Zr、Fe、Ni、Mg、Co、Ga、Sn、Sb、Nb和Ge中的至少两种元素,C选自B(硼)、S、Si和N中的任一种元素,D选自S、F、Cl和Br中的任一种元素;
可选地,A为Mg或Nb,和/或,
B选自Fe、Ti、V、Co和Mg中的至少两种元素,更可选为Fe与选自Ti、V、Co和Mg中的一种或多种元素,和/或,
C为S,和/或,
D为F。
通过在上述范围内对Li位掺杂元素进行选择,能够进一步减小脱锂过程中的晶格变化率,从而进一步改善二次电池的倍率性能。通过在上述范围内对Mn位掺杂元素进行选择,能够进一步提高电子电导率并进一步减小晶格变化率,从而提升二次电池的倍率性能和克容量。通过在上述范围内对P位掺杂元素进行选择,能够进一步改善二次电池的倍率性能。通过在上述范围内对O位掺杂元素进行选择,能够进一步减轻界面的副反应,提升二次电池的高温性能。
在任意实施方式中,第二正极活性材料中,x选自0.001至0.005的范围;和/或,
y选自0.01至0.5的范围,可选为选自0.25至0.5的范围;和/或,
z选自0.001至0.005的范围;和/或,
n选自0.001至0.005的范围。
通过在上述范围内对y值进行选择,能够进一步提升材料的克容量和倍率性能。通过在上述范围内对x值进行选择,能够进一步提升材料的动力学性能。通过在上述范围内对z值进行选择,能够进一步提升二次电池的倍率性能。通过在上述范围内对n值进行选择,能够进一步提升二次电池的高温性能。
在任意实施方式中,(1-y):y的值选自1至4的范围,可选为选自1.5至3的范围,并且,a:x的值选自9到1100的范围,可选为选自190-998的范围。由此,正极活性材料的能量密度和循环性能可进一步提升。
在任意实施方式中,第二正极活性材料在完全脱嵌锂前后的晶格变化率为8%以下,可选为4%以下。通过降低晶格变化率,能够使得Li离子传输更容易,即Li离子在材料中的迁移能力更强,有利于改善二次电池的倍率性能。晶格变化率可通过本领域中已知的方法,例如X射线衍射图谱(XRD)测得。
在任意实施方式中,第二正极活性材料的Li/Mn反位缺陷浓度为2%以下,可选为0.5%以下。所谓Li/Mn反位缺陷,指的是LiMnPO4晶格中,Li+与Mn2+的位置发生互换。Li/Mn反位缺陷浓度指的是正极活性材料中与Mn2+发生互换的Li+占Li+总量的百分比。反位缺陷的Mn2+会阻碍Li+的传输,通过降低Li/Mn反位缺陷浓度,有利于提高正极活性材料的克容量和倍率性能。Li/Mn反位缺陷浓度可通过本领域中已知的方法,例如XRD测得。
在任意实施方式中,第二正极活性材料的表面氧价态为-1.82以下,可选地为-1.89~-1.98。通过降低表面氧价态,能够减轻正极活性材料与电解液的界面副反应,从而改善二次电池的循环性能和高温稳定性。表面氧价态可通过本领域中已知的方法测量,例如通过电子能量损失谱(EELS)测量。
在任意实施方式中,第二正极活性材料在3T下的压实密度为2.0g/cm3以上,可选为2.2g/cm3以上。压实密度越高,单位体积活性材料的重量越大,因此提高压实密度有利于提高电芯的体积能量密度。压实密度可依据GB/T 24533-2009测量。
在任意实施方式中,第二正极活性材料还包含碳,碳包覆在化合物LiaAxMn1-yByP1- zCzO4-nDn的表面。由此,可以改善正极活性材料的导电性。
本申请的第二方面还提供一种制备正极活性材料的方法,包括如下步骤:
提供第一正极活性材料和第二正极活性材料;
将第一正极活性材料和第二正极活性材料混合即可;
第一正极活性材料包含化合物LiNibCodMneMfO2,第二正极活性材料包含化合物LiaAxMn1-yByP1-zCzO4-nDn,其中,a、b、d、e、f、x、y、z、n、M、A、B、C和D的定义如本申请第一方面中所述;
可选地,第一正极活性材料还包含碳酸锂和/或氢氧化锂;
可选地,第二正极活性材料还包含包覆在化合物LiaAxMn1-yByP1-zCzO4-nDn表面的碳。
由此,本申请通过将第一正极活性材料和第二正极活性材料混合使用,两种材料的优势互补,提高了二次电池的循环容量保持率,延长了二次电池的循环寿命,提高了二次电池的安全性。
本申请的第三方面提供一种正极极片,其包括正极集流体以及设置在正极集流体的至少一个表面的正极膜层,正极膜层包括本申请第一方面的正极活性材料或者通过本申请第二方面的方法制备的正极活性材料;可选地,正极活性材料在正极膜层中的含量为10重量%以上,更可选为95-99.5重量%,基于正极膜层的总重量计。
本申请的第四方面提供一种二次电池,包括本申请第一方面的正极活性材料或者根据本申请第二方面的方法制备的正极活性材料或者本申请第三方面的正极极片。
本申请的第五方面提供一种电池模块,包括本申请的第四方面的二次电池。
本申请的第六方面提供一种电池包,包括本申请的第五方面的电池模块。
本申请的第七方面提供一种用电装置,包括选自本申请的第四方面的二次电池、本申请的第五方面的电池模块和本申请的第六方面的电池包中的至少一种。
附图说明
图1是本申请一实施方式的二次电池的示意图。
图2是图1所示的本申请一实施方式的二次电池的分解图。
图3是本申请一实施方式的电池模块的示意图。
图4是本申请一实施方式的电池包的示意图。
图5是图4所示的本申请一实施方式的电池包的分解图。
图6是本申请一实施方式的二次电池用作电源的用电装置的示意图。
图7是本申请制备例A10所制的第一正极活性材料的SEM照片。
图8是本申请制备例A15所制的第一正极活性材料的SEM照片。
附图标记说明:
1电池包;2上箱体;3下箱体;4电池模块;5二次电池;51壳体;52电极组件;53顶盖组件。
具体实施方式
以下,适当地参照附图详细说明具体公开了本申请的正极活性材料及其制备方法、正极极片、二次电池、电池模块、电池包和用电装置的实施方式。但是会有省略不必要的详细说明的情况。例如,有省略对已众所周知的事项的详细说明、实际相同结构的重复说明的情况。这是为了避免以下的说明不必要地变得冗长,便于本领域技术人员的理解。此外,附图及以下说明是为了本领域技术人员充分理解本申请而提供的,并不旨在限定权利要求书所记载的主题。
本申请所公开的“范围”以下限和上限的形式来限定,给定范围是通过选定一个下限和一个上限进行限定的,选定的下限和上限限定了特别范围的边界。这种方式进行限定的范围可以是包括端值或不包括端值的,并且可以进行任意地组合,即任何下限可以与任何上限组合形成一个范围。例如,如果针对特定参数列出了60-120和80-110的范围,理解为60-110和80-120的范围也是预料到的。此外,如果列出的最小范围值1和2,和如果列出了最大范围值3,4和5,则下面的范围可全部预料到:1-3、1-4、1-5、2-3、2-4和2-5。在本申请中,除非有其他说明,数值范围“a-b”表示a到b之间的任意实数组合的缩略表示,其中a和b都是实数。例如数值范围“0-5”表示本文中已经全部列出了“0-5”之间的全部实数,“0-5”只是这些数值组合的缩略表示。另外,当表述某个参数为≥2的整数,则相当于公开了该参数为例如整数2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12等。
如果没有特别的说明,本申请的所有实施方式以及可选实施方式可以相互组合形成新的技术方案。
如果没有特别的说明,本申请的所有技术特征以及可选技术特征可以相互组合形成新的技术方案。
如果没有特别的说明,本申请的所有步骤可以顺序进行,也可以随机进行,优选是顺序进行的。例如,方法包括步骤(a)和(b),表示方法可包括顺序进行的步骤(a)和(b),也可以包括顺序进行的步骤(b)和(a)。例如,提到方法还可包括步骤(c),表示步骤(c)可以任意顺序加入到方法,例如,方法可以包括步骤(a)、(b)和(c),也可包括步骤(a)、(c)和(b),也可以包括步骤(c)、(a)和(b)等。
如果没有特别的说明,本申请所提到的“包括”和“包含”表示开放式,也可以是封闭式。例如,“包括”和“包含”可以表示还可以包括或包含没有列出的其他组分,也可以仅包括或包含列出的组分。
如果没有特别的说明,在本申请中,术语“或”是包括性的。举例来说,短语“A或B”表示“A,B,或A和B两者”。更具体地,以下任一条件均满足条件“A或B”:A为真(或存在)并且B为假(或不存在);A为假(或不存在)而B为真(或存在);或A和B都为真(或存在)。
[二次电池]
二次电池又称为充电电池或蓄电池,是指在电池放电后可通过充电的方式使活性材料激活而继续使用的电池。
通常情况下,二次电池包括正极极片、负极极片、隔离膜及电解液。在电池充放电过程中,活性离子(例如锂离子)在正极极片和负极极片之间往返嵌入和脱出。隔离膜设置在正极极片和负极极片之间,主要起到防止正负极短路的作用,同时可以使活性离子通过。电解液在正极极片和负极极片之间,主要起到传导活性离子的作用。
[正极活性材料]
本申请的一个实施方式提供一种正极活性材料,包含第一正极活性材料和第二正极活性材料;其中,
第一正极活性材料包含化合物LiNibCodMneMfO2,其中,b选自0.314-0.970的范围、可选为选自0.65-0.97的范围,d选自0-0.320的范围、可选为选自0.047-0.320的范围或为选自0.005-0.188的范围,e选自0.006-0.390的范围、可选为选自0.006-0.102的范围,并且,b、d、e和f的总和为1且f大于0,M选自Mn、Al、Mg、Ca、Na、Ti、W、Zr、Sr、Cr、Zn、Ba、B、S和Y中的一种或多种元素;
第二正极活性材料包含化合物LiaAxMn1-yByP1-zCzO4-nDn,a选自0.9至1.1的范围,x选自0.001至0.1的范围,y选自0.001至0.5的范围,z选自0.001至0.1的范围,n选自0.001至0.1的范围,A选自Zn、Al、Na、K、Mg、Nb、Mo和W中的一种或多种元素、可选为Mg和/或Mo,B选自Ti、V、Zr、Fe、Ni、Mg、Co、Ga、Sn、Sb、Nb和Ge中的一种或多种元素、可选为选自V、Fe和Co中的一种或多种元素,C选自B(硼)、S、Si和N中的一种或多种元素、可选为选自S、Si和N中的一种或多种元素,D选自S、F、Cl和Br中的一种或多种元素,可选为F。
第一正极活性材料为层状过渡金属氧化物,具有二维锂离子传输通道;第二正极活性材料仅有一维锂离子传输通道,二者混合使用、优势互补,能够提高整体的电化学性能。第一正极活性材料的首次库伦效率通常低于第二正极活性材料,二者混合使用后,二次电池在化学体系负极成膜消耗后仍含有较多的可逆锂离子,提高了二次电池的循环容量保持率,延长了二次电池的循环寿命,提高了二次电池的安全性。
另外,虽然机理尚不明确,但本申请人意外地发现:本申请的第二正极活性材料通过在化合物LiMnPO4中进行元素掺杂而获得,其中,A、B、C和D分别为在化合物LiMnPO4的Li位、Mn位、P位和O位掺杂的元素。不希望囿于理论,本申请发明人发现磷酸锰锂的性能提升与减小脱嵌锂过程中磷酸锰锂的晶格变化率和降低表面活性有关。减小晶格变化率可减小晶界处两相间的晶格常数差异,减小界面应力,增强Li+在界面处的传输能力,从而提升正极活性材料的倍率性能。而表面活性高容易导致界面副反应严重,加剧产气、电解液消耗和破坏界面,从而影响二次电池的循环等性能。本申请中,通过Li和Mn位掺杂减小了晶格变化率。Mn位掺杂还有效降低表面活性,从而抑制Mn溶出和正极活性材料与电解液的界面副反应。P位掺杂使Mn-O键长的变化速率更快,降低材料的小极化子迁移势垒,从而有利于电子电导率。O位掺杂对减小界面副反应有良好的作用。P位和O位的掺杂还对反位缺陷的Mn溶出及动力学性能产生影响。因此,掺杂减小了材料中反位缺陷浓度,提高材料的动力学性能和克容量,还可以改变颗粒的形貌,从而提升压实密度。本申请人意外地发现:通过在化合物LiMnPO4的Li位、Mn位、P位和O位同时以特定量掺杂特定的元素,能够获得明显改善的倍率性能,同时显著减少了Mn与Mn位掺杂元素的溶出,获得了显著改善的循环性能和/或高温稳定性,并且材料的克容量和压实密度也可以得到提高。
在一些实施方式中,M为Mg和/或Al。第一正极活性材料中掺杂Al元素能提升材料的结构稳定性和热稳定性,提高循环性能;第一正极活性材料中掺杂Mg元素会导致过渡金属离子价态的升高或降低,从而产生空穴或电子,改变了材料的能带结构,提高了材料的本征电子电导率,改善了二次电池的循环性能;Mg和Al共掺杂进入主体材料晶格,能协同稳定材料结构,改善材料阳离子的混排程度,抑制氧的析出,进一步改善二次电池的循环性能和热稳定性。
除非另有说明,否则化学式LiaAxMn1-yByP1-zCzO4-nDn中,当A为两种以上元素时,上述对于x数值范围的限定不仅是对每种作为A的元素的化学计量数的限定,也是对各个作为A的元素的化学计量数之和的限定。例如当A为两种以上元素A1、A2……An时,A1、A2……An各自的化学计量数x1、x2……xn各自均需落入本申请对x限定的数值范围内,且x1、x2……xn之和也需落入该数值范围内。类似地,对于B、C和D为两种以上元素的情况,本申请中对B、C和D化学计量数的数值范围的限定也具有上述含义。类似地,对于化学式LiNibCodMneMfO2中的M为两种以上元素的情况,本申请对M化学计量数的数值范围的限定也具有上述含义。
在一些实施方式中,化合物LiNibCodMneMfO2和LiaAxMn1-yByP1-zCzO4-nDn均保持电中性。
在一些实施方式中,第一正极活性材料的质量为m1,第二正极活性材料的质量为m2,并且m1/(m1+m2)的值为2%-55%,可选为3%-50%。由此,第一正极活性材料在两种正极活性材料中所占的质量百分比在上述范围内,能提高整体正极活性材料的稳定性和安全性。
在一些实施方式中,b×m1/(m1+m2)的值为0.017-0.457,可选为0.025-0.415。由此能进一步改善整体正极活性材料的稳定性和安全性。
在一些实施方式中,第一正极活性材料为单晶或准单晶材料,第一正极活性材料的粒径Dv50为小于或等于5.8μm,可选为2.3-5.8μm,更可选为2.3-4.3μm。
使单晶或准单晶的第一正极活性材料的粒径在上述范围能优化电化学反应面积,进一步减少和抑制二次电池循环过程中正极的界面副反应,降低二次电池的循环衰减速率,延长二次电池的循环寿命。
在一些实施方式中,第一正极活性材料为单晶或准单晶材料,第一正极活性材料的BET比表面积小于或等于1.15m2/g,可选为0.45-1.15m2/g;和/或,
第一正极活性材料在3T压力下的压实密度大于或等于3.11g/cm3,可选为3.11-3.4g/cm3。
在一些实施方式中,第一正极活性材料为单晶或准单晶材料时,d选自0.05-0.320的范围,可选为选自0.05-0.282的范围;和/或,
b大于0.314且小于0.97,可选为选自0.55-0.869的范围。
第一正极活性材料为单晶或准单晶材料时,d和b在上述范围内有利于进一步提高正极活性材料的电导率和倍率性能,进一步提高二次电池的循环容量保持率,进一步延长二次电池的循环寿命。
在一些实施方式中,第一正极活性材料为多晶材料时,第一正极活性材料的粒径Dv50为3.5~13.5μm;和/或,
第一正极活性材料的BET比表面积小于或等于1.32m2/g,可选为0.28-1.32m2/g;和/或,
第一正极活性材料在3T压力下的压实密度大于或等于2.92g/cm3,可选为2.92-3.31g/cm3。
使多晶的第一正极活性材料的粒径、比表面积和压实密度在上述范围内能进一步提高正极活性材料的倍率性能,进一步减少和抑制二次电池循环过程中正极的界面副反应,降低二次电池的循环衰减速率,延长二次电池的循环寿命。
在一些实施方式中,第一正极活性材料还包含碳酸锂和/或氢氧化锂;
可选地,基于第一正极活性材料的质量计,碳酸锂的质量含量小于或等于1%,和/或,氢氧化锂的质量含量小于或等于1%。
第二正极活性材料带入的残留水分子可能与电解液反应产生HF,HF易会对正极活性材料本身或负极极片上的SEI膜产生破坏作用,进而影响二次电池寿命。本申请第一正极活性材料中进一步含有的碳酸锂和/或氢氧化锂能与HF进行中和反应,减少或抑制了HF对于正极活性材料或负极极片SEI膜的破坏作用,从而进一步提高了二次电池的循环寿命。
在一些实施方式中,第二正极活性材料中,A选自Zn、Al、Na、K、Mg、Nb、Mo和W中的任一种元素,B选自Ti、V、Zr、Fe、Ni、Mg、Co、Ga、Sn、Sb、Nb和Ge中的至少两种元素,C选自B(硼)、S、Si和N中的任一种元素,D选自S、F、Cl和Br中的任一种元素;
可选地,A为Mg或Nb,和/或,
B选自Fe、Ti、V、Co和Mg中的至少两种元素,更可选为Fe与选自Ti、V、Co和Mg中的一种或多种元素,和/或,
C为S,和/或,
D为F。
通过在上述范围内对Li位掺杂元素进行选择,能够进一步减小脱锂过程中的晶格变化率,从而进一步改善二次电池的倍率性能。通过在上述范围内对Mn位掺杂元素进行选择,能够进一步提高电子电导率并进一步减小晶格变化率,从而提升二次电池的倍率性能和克容量。通过在上述范围内对P位掺杂元素进行选择,能够进一步改善二次电池的倍率性能。通过在上述范围内对O位掺杂元素进行选择,能够进一步减轻界面的副反应,提升二次电池的高温性能。
在一些实施方式中,第二正极活性材料中,x选自0.001至0.005的范围;和/或,
y选自0.01至0.5的范围,可选为选自0.25至0.5的范围;和/或,
z选自0.001至0.005的范围;和/或,
n选自0.001至0.005的范围。
通过在上述范围内对y值进行选择,能够进一步提升材料的克容量和倍率性能。通过在上述范围内对x值进行选择,能够进一步提升材料的动力学性能。通过在上述范围内对z值进行选择,能够进一步提升二次电池的倍率性能。通过在上述范围内对n值进行选择,能够进一步提升二次电池的高温性能。
在一些实施方式中,(1-y):y的值选自1至4的范围,可选为选自1.5至3的范围,并且,a:x的值选自9到1100的范围,可选为选自190-998的范围。由此,正极活性材料的能量密度和循环性能可进一步提升。
在一些实施方式中,第二正极活性材料在完全脱嵌锂前后的晶格变化率为8%以下,可选为4%以下。通过降低晶格变化率,能够使得Li离子传输更容易,即Li离子在材料中的迁移能力更强,有利于改善二次电池的倍率性能。晶格变化率可通过本领域中已知的方法,例如X射线衍射图谱(XRD)测得。
在一些实施方式中,第二正极活性材料的Li/Mn反位缺陷浓度为2%以下,可选为0.5%以下。所谓Li/Mn反位缺陷,指的是LiMnPO4晶格中,Li+与Mn2+的位置发生互换。Li/Mn反位缺陷浓度指的是正极活性材料中与Mn2+发生互换的Li+占Li+总量的百分比。反位缺陷的Mn2+会阻碍Li+的传输,通过降低Li/Mn反位缺陷浓度,有利于提高正极活性材料的克容量和倍率性能。Li/Mn反位缺陷浓度可通过本领域中已知的方法,例如XRD测得。
在一些实施方式中,第二正极活性材料的表面氧价态为-1.82以下,可选地为-1.89~-1.98。通过降低表面氧价态,能够减轻正极活性材料与电解液的界面副反应,从而改善二次电池的循环性能和高温稳定性。表面氧价态可通过本领域中已知的方法测量,例如通过电子能量损失谱(EELS)测量。
在一些实施方式中,第二正极活性材料在3T下的压实密度为2.0g/cm3以上,可选为2.2g/cm3以上。压实密度越高,单位体积活性材料的重量越大,因此提高压实密度有利于提高电芯的体积能量密度。压实密度可依据GB/T 24533-2009测量。
在一些实施方式中,第二正极活性材料还包含碳,碳包覆在化合物LiaAxMn1-yByP1- zCzO4-nDn的表面。由此,可以改善正极活性材料的导电性。
在一些实施方式中,b例如可以为0.4、0.5、0.6、0.7、0.8或0.9。
在一些实施方式中,d例如可以为0.05、0.1、0.15、0.2、0.25或0.3。
在一些实施方式中,e例如可以为0.01、0.02、0.05、0.1、0.15、0.2、0.26、0.3或0.35。
[制备正极活性材料的方法]
本申请的一个实施方式提供一种制备正极活性材料的方法,包括如下步骤:
提供第一正极活性材料和第二正极活性材料;
将第一正极活性材料和第二正极活性材料混合即可;
第一正极活性材料包含化合物LiNibCodMneMfO2,第二正极活性材料包含化合物LiaAxMn1-yByP1-zCzO4-nDn,其中,a、b、d、e、f、x、y、z、n、M、A、B、C和D的定义如[正极活性材料]中所述;
可选地,第一正极活性材料还包含碳酸锂和/或氢氧化锂;
可选地,第二正极活性材料还包含包覆在化合物LiaAxMn1-yByP1-zCzO4-nDn表面的碳。
由此,本申请通过将第一正极活性材料和第二正极活性材料混合使用,两种材料的优势互补,提高了二次电池的循环容量保持率,延长了二次电池的循环寿命,提高了二次电池的安全性。
在一些实施方式中,第一正极活性材料通过如下的步骤制备:
步骤1):将Ni盐、Co盐、Mn盐与碱在溶剂中反应,固液分离,收集固相物;
步骤2):将固相物、锂源和元素M的源混合,球磨,烧结,冷却,得到第一正极活性材料;
可选地,步骤2)中,将冷却后的第一正极活性材料粉碎,过筛,或者将冷却后的第一正极活性材料粉碎,再次烧结,破碎,过筛。
在一些实施方式中,步骤1)中,在pH值为9-13的条件下反应,可选地,在pH值为9-12或10-13的条件下反应。
在一些实施方式中,步骤1)中,反应的温度为40℃-80℃,例如50℃、55℃、60℃。
在一些实施方式中,步骤1)中,反应的时间为8-70h,例如20h、55h、60h、65h。
在一些实施方式中,步骤1)中,在150-1000r/min转速的条件下反应,例如300r/min、500r/min。
在一些实施方式中,步骤1)中,固液分离为过滤。
在一些实施方式中,在步骤2)之前,将固相物洗涤,干燥;可选为在100℃-140℃下真空干燥12-48h,例如在120℃下真空干燥24h。
在一些实施方式中,步骤2)中,球磨的转速为200-500r/s,例如300r/s、500r/s。
在一些实施方式中,步骤2)中,球磨的时间为1-5h,例如2、3、4h。
在一些实施方式中,步骤2)中,在空气气氛下烧结;可选地,在0.1-0.4MPa的空气气氛下烧结。
在一些实施方式中,步骤2)中,烧结的程序为:升温至750℃-950℃保温12-20h进行预烧,升温速率为1℃/min;可选地,然后以同样速率降温至600℃保温8h进行烧结;烧结后以1℃/min速率降温至300℃。
在一些实施方式中,步骤2)中,再次烧结的程序为:以升温速率20℃/min升温至400℃保温20h进行烧结,烧结后以1℃/min速率降温至300℃。
在一些实施方式中,步骤2)中,采用气流粉碎机进行粉碎;可选地,气流粉碎机的转速为2500-3500r/min,例如3000r/min;可选地,气流粉碎机的风量为400-600m3/h,例如500m3/h。
在一些实施方式中,步骤2)中,采用450-550目(例如500目)的滤网过筛。
在一些实施方式中,第二正极活性材料通过如下的步骤制备:
步骤(1):将锰源、元素B的源、酸和可选的溶剂混合,得到混合物;
步骤(2):将混合物与锂源、磷源、元素A的源、元素C的源和元素D的源、可选的碳源及可选的溶剂混合,干燥,烧结,得到包含LimAxMn1-yByP1-zCzO4-nDn的内核材料。A至D的定义如前述。
在一些实施方式中,步骤(1)在60℃-120℃、可选为在70℃-120℃(例如约60℃、约70℃、约80℃、约90℃、约100℃、约110℃或约120℃)下进行;和/或,步骤(1)中,通过以200-800rpm(例如200rpm、300rpm、400rpm、500rpm、600rpm、700rpm、800rpm)转速搅拌进行混合,可选为搅拌1-9h(更可选为3-7h,例如约2小时、约3小时、约4小时、约5小时、约6小时、约7小时、约8小时或约9小时)。
在一些实施方式中,步骤(2)中,混合进行8-15h(例如约约8小时、约9小时、约10小时、约11小时、约12小时、约13小时、约14小时或约15小时),可选地在20-120℃、可选为40-120℃(例如约30℃、约50℃、约60℃、约70℃、约80℃、约90℃、约100℃、约110℃或约120℃)的温度下混合。
当制备过程中的温度和时间处于上述范围内时,制备获得的第二正极活性材料的晶格缺陷较少,有利于抑制锰溶出,减少正极活性材料与电解液的界面副反应,从而改善二次电池的循环性能和安全性能。
在一些实施方式中,步骤(2)中,在pH为3.5-6条件下混合,可选地pH为4-6,更可选地pH为4-5。需要说明的是,在本申请中可通过本领域通常使用的方法调节pH,例如可通过添加酸或碱。
在一些实施方式中,可选地,在步骤(2)中,混合物或经元素B掺杂的锰盐颗粒与锂源、磷源的摩尔比为1:0.4-2.1:0.1-2.1,可选为约1:0.4-0.5:0.1-1。
在一些实施方式中,步骤(2)中,在600-900℃下烧结4-10小时;可选地,烧结可在约650℃、约700℃、约750℃、约800℃、约850℃或约900℃下烧结约2小时、约3小时、约4小时、约5小时、约6小时、约7小时、约8小时、约9小时或约10小时;可选地,在惰性气体或惰性气体与氢气混合气氛保护下烧结,更可选地,保护气氛为70-90体积%氮气和10-30体积%氢气的混合气体;烧结的温度、烧结时间可在上述任意数值的任意范围内,能提高结晶度,减少杂相生成,维持一定的颗粒度,从而提高正极活性材料的克容量、压实密度,提高二次电池的整体性能包括倍率性能。
在一些可选实施方式中,将步骤(1)获得的混合物过滤,烘干,并进行研磨以得到粒径Dv50为50-200nm的经元素B掺杂的锰盐颗粒,将经元素B掺杂的锰盐颗粒用于步骤(2)中与锂源、磷源、元素A的源、元素C的源和元素D的源及可选的溶剂混合。
在一些可选实施方式中,步骤(2)中,通过喷雾干燥设备进行干燥。
在一些可选实施方式中,步骤(2)中,混合的同时进行研磨。
本申请的制备方法对材料的来源并没有特别的限制,某种元素的来源可包括该元素的单质、硫酸盐、卤化物、硝酸盐、磷酸盐、草酸盐、碳酸盐、氧化物和氢氧化物中的一种或多种,前提是该来源可实现本申请制备方法的目的。
在一些实施方式中,元素A的源选自元素A的单质、氧化物、磷酸盐、草酸盐、碳酸盐和硫酸盐中的一种或多种;和/或,
元素B的源为选自元素B的单质、氧化物、磷酸盐、草酸盐、碳酸盐和硫酸盐中的一种或多种;和/或,
元素C的源为选自元素C的硫酸盐、硼酸盐、硝酸盐和硅酸盐中的一种或多种;和/或,
元素D的源为选自元素D的单质和铵盐中的一种或多种。
在一些实施方式中,元素M的源为选自元素M的单质、碳酸盐、硫酸盐、卤化物、硝酸盐、有机酸盐、氧化物和氢氧化物中的一种或多种。
元素A、B、C、D、M各自的源的加入量取决于目标掺杂量,锂源、锰源和磷源的用量之比符合化学计量比。
本申请中,锰源可为本领域已知的可用于制备磷酸锰锂的含锰物质。作为示例,锰源可为选自单质锰、二氧化锰、磷酸锰、草酸锰、碳酸锰中的一种或多种。
本申请中,酸可为选自盐酸、硫酸、硝酸、磷酸、硅酸、亚硅酸等有机酸和有机酸如草酸中的一种或多种。在一些实施方式中,酸为浓度为60重量%以下的稀的有机酸。
本申请中,锂源可为本领域已知的可用于制备磷酸锰锂的含锂物质。作为示例,锂源为选自碳酸锂、氢氧化锂、磷酸锂、磷酸二氢锂中的一种或多种。
本申请中,磷源可为本领域已知的可用于制备磷酸锰锂的含磷物质。作为示例,磷源为选自磷酸氢二铵、磷酸二氢铵、磷酸铵和磷酸中的一种或多种。
本申请中,作为示例,碳源为选自淀粉、蔗糖、葡萄糖、聚乙烯醇、聚乙二醇、柠檬酸中的一种或多种。
[正极极片]
正极极片通常包括正极集流体以及设置在正极集流体至少一个表面的正极膜层,正极膜层包括上述的正极活性材料或上述方法制备的正极活性材料。
作为示例,正极集流体具有在其自身厚度方向相对的两个表面,正极膜层设置在正极集流体相对的两个表面的其中任意一者或两者上。
在一些实施方式中,正极集流体可采用金属箔片或复合集流体。例如,作为金属箔片,可采用铝箔。复合集流体可包括高分子材料基层和形成于高分子材料基层至少一个表面上的金属层。复合集流体可通过将金属材料(铝、铝合金、镍、镍合金、钛、钛合金、银及银合金等)形成在高分子材料基材(如聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚苯乙烯(PS)、聚乙烯(PE)等的基材)上而形成。
在一些实施方式中,正极膜层还可选地包括粘结剂。作为示例,粘结剂可以包括聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、偏氟乙烯-四氟乙烯-丙烯三元共聚物、偏氟乙烯-六氟丙烯-四氟乙烯三元共聚物、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物及含氟丙烯酸酯树脂中的至少一种。
在一些实施方式中,正极膜层还可选地包括导电剂。作为示例,导电剂可以包括超导碳、乙炔黑、炭黑、科琴黑、碳点、碳纳米管、石墨烯及碳纳米纤维中的至少一种。
在一些实施方式中,可以通过以下方式制备正极极片:将上述用于制备正极极片的组分,例如正极活性材料、导电剂、粘结剂和任意其他的组分分散于溶剂(例如N-甲基吡咯烷酮)中,形成正极浆料;将正极浆料涂覆在正极集流体上,经烘干、冷压等工序后,即可得到正极极片。
[负极极片]
负极极片包括负极集流体以及设置在负极集流体至少一个表面上的负极膜层,负极膜层包括负极活性材料。
作为示例,负极集流体具有在其自身厚度方向相对的两个表面,负极膜层设置在负极集流体相对的两个表面中的任意一者或两者上。
在一些实施方式中,负极集流体可采用金属箔片或复合集流体。例如,作为金属箔片,可以采用铜箔。复合集流体可包括高分子材料基层和形成于高分子材料基材至少一个表面上的金属层。复合集流体可通过将金属材料(铜、铜合金、镍、镍合金、钛、钛合金、银及银合金等)形成在高分子材料基材(如聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚苯乙烯(PS)、聚乙烯(PE)等的基材)上而形成。
在一些实施方式中,负极活性材料可采用本领域公知的用于电池的负极活性材料。作为示例,负极活性材料可包括以下材料中的至少一种:人造石墨、天然石墨、软炭、硬炭、硅基材料、锡基材料和钛酸锂等。硅基材料可选自单质硅、硅氧化合物、硅碳复合物、硅氮复合物以及硅合金中的至少一种。锡基材料可选自单质锡、锡氧化合物以及锡合金中的至少一种。但本申请并不限定于这些材料,还可以使用其他可被用作电池负极活性材料的传统材料。这些负极活性材料可以仅单独使用一种,也可以将两种以上组合使用。
在一些实施方式中,负极膜层还可选地包括粘结剂。作为示例,粘结剂可选自丁苯橡胶(SBR)、聚丙烯酸(PAA)、聚丙烯酸钠(PAAS)、聚丙烯酰胺(PAM)、聚乙烯醇(PVA)、海藻酸钠(SA)、聚甲基丙烯酸(PMAA)及羧甲基壳聚糖(CMCS)中的至少一种。
在一些实施方式中,负极膜层还可选地包括导电剂。作为示例,导电剂可选自超导碳、乙炔黑、炭黑、科琴黑、碳点、碳纳米管、石墨烯及碳纳米纤维中的至少一种。
在一些实施方式中,负极膜层还可选地包括其他助剂,例如增稠剂(如羧甲基纤维素钠(CMC-Na))等。
在一些实施方式中,可以通过以下方式制备负极极片:将上述用于制备负极极片的组分,例如负极活性材料、导电剂、粘结剂和任意其他组分分散于溶剂(例如去离子水)中,形成负极浆料;将负极浆料涂覆在负极集流体上,经烘干、冷压等工序后,即可得到负极极片。
[电解质]
电解质在正极极片和负极极片之间起到传导离子的作用。本申请对电解质的种类没有具体的限制,可根据需求进行选择。例如,电解质可以是液态的、凝胶态的或全固态的。
在一些实施方式中,电解质为液态的,且包括电解质盐和溶剂。
在一些实施方式中,电解质盐可选自六氟磷酸锂、四氟硼酸锂、高氯酸锂、六氟砷酸锂、双氟磺酰亚胺锂、双三氟甲磺酰亚胺锂、三氟甲磺酸锂、二氟磷酸锂、二氟草酸硼酸锂、二草酸硼酸锂、二氟二草酸磷酸锂及四氟草酸磷酸锂中的至少一种。
在一些实施方式中,溶剂可选自碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、碳酸二丙酯、碳酸甲丙酯、碳酸乙丙酯、碳酸亚丁酯、氟代碳酸亚乙酯、甲酸甲酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯、丁酸甲酯、丁酸乙酯、1,4-丁内酯、环丁砜、二甲砜、甲乙砜及二乙砜中的至少一种。
在一些实施方式中,电解液还可选地包括添加剂。作为示例,添加剂可以包括负极成膜添加剂、正极成膜添加剂,还可以包括能够改善电池某些性能的添加剂,例如改善电池过充性能的添加剂、改善电池高温或低温性能的添加剂等。
[隔离膜]
在一些实施方式中,二次电池中还包括隔离膜。本申请对隔离膜的种类没有特别的限制,可以选用任意公知的具有良好的化学稳定性和机械稳定性的多孔结构隔离膜。
在一些实施方式中,隔离膜的材质可选自玻璃纤维、无纺布、聚乙烯、聚丙烯及聚偏二氟乙烯中的至少一种。隔离膜可以是单层薄膜,也可以是多层复合薄膜,没有特别限制。在隔离膜为多层复合薄膜时,各层的材料可以相同或不同,没有特别限制。
在一些实施方式中,正极极片、负极极片和隔离膜可通过卷绕工艺或叠片工艺制成电极组件。
在一些实施方式中,二次电池可包括外包装。该外包装可用于封装上述电极组件及电解质。
在一些实施方式中,二次电池的外包装可以是硬壳,例如硬塑料壳、铝壳、钢壳等。二次电池的外包装也可以是软包,例如袋式软包。软包的材质可以是塑料,作为塑料,可列举出聚丙烯、聚对苯二甲酸丁二醇酯以及聚丁二酸丁二醇酯等。
本申请对二次电池的形状没有特别的限制,其可以是圆柱形、方形或其他任意的形状。例如,图1是作为一个示例的方形结构的二次电池5。
在一些实施方式中,参照图2,外包装可包括壳体51和盖板53。其中,壳体51可包括底板和连接于底板上的侧板,底板和侧板围合形成容纳腔。壳体51具有与容纳腔连通的开口,盖板53能够盖设于开口,以封闭容纳腔。正极极片、负极极片和隔离膜可经卷绕工艺或叠片工艺形成电极组件52。电极组件52封装于容纳腔内。电解液浸润于电极组件52中。二次电池5所含电极组件52的数量可以为一个或多个,本领域技术人员可根据具体实际需求进行选择。
在一些实施方式中,二次电池可以组装成电池模块,电池模块所含二次电池的数量可以为一个或多个,具体数量本领域技术人员可根据电池模块的应用和容量进行选择。
图3是作为一个示例的电池模块4。参照图3,在电池模块4中,多个二次电池5可以是沿电池模块4的长度方向依次排列设置。当然,也可以按照其他任意的方式进行排布。进一步可以通过紧固件将该多个二次电池5进行固定。
可选地,电池模块4还可以包括具有容纳空间的外壳,多个二次电池5容纳于该容纳空间。
在一些实施方式中,上述电池模块还可以组装成电池包,电池包所含电池模块的数量可以为一个或多个,具体数量本领域技术人员可根据电池包的应用和容量进行选择。
图4和图5是作为一个示例的电池包1。参照图4和图5,在电池包1中可以包括电池箱和设置于电池箱中的多个电池模块4。电池箱包括上箱体2和下箱体3,上箱体2能够盖设于下箱体3,并形成用于容纳电池模块4的封闭空间。多个电池模块4可以按照任意的方式排布于电池箱中。
另外,本申请还提供一种用电装置,用电装置包括本申请提供的二次电池、电池模块、或电池包中的至少一种。二次电池、电池模块、或电池包可以用作用电装置的电源,也可以用作用电装置的能量存储单元。用电装置可以包括移动设备(例如手机、笔记本电脑等)、电动车辆(例如纯电动车、混合动力电动车、插电式混合动力电动车、电动自行车、电动踏板车、电动高尔夫球车、电动卡车等)、电气列车、船舶及卫星、储能系统等,但不限于此。
作为用电装置,可以根据其使用需求来选择二次电池、电池模块或电池包。
图6是作为一个示例的用电装置。该用电装置为纯电动车、混合动力电动车、或插电式混合动力电动车等。为了满足该用电装置对二次电池的高功率和高能量密度的需求,可以采用电池包或电池模块。
[实施例]
以下,说明本申请的实施例。下面描述的实施例是示例性的,仅用于解释本申请,而不能理解为对本申请的限制。实施例中未注明具体技术或条件的,按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者,均为可以通过市购获得的常规产品。
第一正极活性材料的制备
制备例A3:LiNi0.55Co0.113Mn0.277Al0.04Mg0.02O2(类单晶)
(1)将NiSO4、CoSO4和MnSO4按照0.55:0.113:0.277的摩尔比加水配成混合溶液,其中,混合溶液中NiSO4的浓度为2mol/L;配制5mol/L的NaOH溶液;
(2)将50L混合溶液通入反应釜中,再将50L NaOH溶液和适量的0.5mol/L的氨水溶液通入到反应釜中,使反应釜内pH值为9.0-12.0,反应温度为40℃-80℃,在搅拌条件下反应60h,搅拌转速为300-1000r/min,完成后,过滤出沉淀并洗涤,洗涤后的沉淀在120℃下真空干燥24h,得到前驱体;
(3)将Li2CO3、前驱体、Al2O3和MgO混合,其中,Li2CO3(以Li元素的摩尔量计)、前驱体(以混合溶液中Ni、Co和Mn三种元素的总摩尔量计)、Al2O3(以Al元素的摩尔量计)与MgO的摩尔比为1.05:0.94:0.04:0.02,混合后置于球磨罐中以300r/s转速球磨2h,再置于厢式炉中,在0.2MPa空气气氛下,升温至950℃保温12h进行预烧,升温速率为1℃/min,然后以1℃/min速率降温至600℃保温8h进行烧结,烧结后以1℃/min速率降温至300℃,继续自然冷却至室温,之后经气流粉碎机以3000r/min的转速、500m3/h的风量进行粉碎,破碎0.5h,然后经500目滤网过筛,得到第一正极活性材料。
制备例A16:LiNi0.83Co0.114Mn0.006Al0.04Mg0.01O2(多晶)
(1)将NiSO4、CoSO4和MnSO4按照0.83:0.114:0.006的摩尔比加水配成混合溶液,其中,混合溶液中NiSO4的浓度为2mol/L;配制6mol/L的NaOH溶液;
(2)将50L混合溶液通入反应釜中,再将50L NaOH溶液和适量的0.5mol/L氨水溶液通入到反应釜中,使反应釜内pH值为10-13,反应温度为40℃-80℃,在搅拌条件下反应8~20h,搅拌转速为150-300r/min,完成后,过滤出沉淀并洗涤,洗涤后的沉淀在120℃下真空干燥24h,得到前驱体;
(3)将LiOH、前驱体、Al2O3和MgO混合,其中,LiOH、前驱体(以混合溶液中Ni、Co和Mn三种元素的总摩尔量计)、Al2O3(以Al元素的摩尔量计)与MgO的摩尔比为1.05:0.95:0.04:0.01,混合后置于球磨罐中以500r/s转速球磨2h,再置于厢式炉中,在0.2MPa空气气氛下,升温至750℃保温20h进行预烧,升温速率为20℃/min,烧结后以1℃/min速率降温至300℃,继续自然冷却至室温,使用2000r/min的转速破碎5h,然后将混合物以升温速率20℃/min升温至400℃保温20h进行烧结,烧结后以1℃/min速率降温至300℃,继续自然冷却至室温,之后经气流粉碎机以3000r/min的转速、500m3/h的风量进行破碎,破碎0.5h,然后经400目滤网过筛,得到第一正极活性材料。
制备例A1、A2、A4至A15、A17至A22及对比制备例A1
以类似于制备例A3的方法制作制备例A1、A2、A4至A11、A22和对比制备例A1的第一正极活性材料,制备中的不同之处参见表1,其余与制备例A3中的相同;
以类似于制备例A16的方法制作制备例A12至A15、A17至A21,制备中的不同之处参见表1,其余与制备例A16中的相同。
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
第二正极活性材料的制备
制备例B1
制备掺杂的草酸锰:将1.3mol MnSO4·H2O与0.7mol FeSO4·H2O在混料机中充分混合6小时;将混合物转移至反应釜中,加入10L去离子水和2mol二水合草酸,加热至80℃,之后以600rpm转速搅拌6小时,反应终止(无气泡产生),得到Fe掺杂的草酸锰的悬浮液;过滤悬浮液,滤饼在120℃下烘干,研磨,得到粒径Dv50为100nm左右的Fe掺杂的草酸锰颗粒;
制备掺杂的磷酸锰锂:取1mol Fe掺杂的草酸锰颗粒、0.497mol碳酸锂、0.001mol的Mo(SO4)3、含有0.999mol磷酸的浓度85%的磷酸水溶液、0.001mol的H4SiO4、0.0005mol的NH4HF2和0.005mol蔗糖加入到20L去离子水中,将混合物转入砂磨机中充分研磨搅拌10小时,得到浆料;将浆料转移到喷雾干燥设备中进行喷雾干燥造粒,设定干燥温度为250℃,干燥4小时,得到颗粒;在氮气(90%v/v)+氢气(10%v/v)保护气氛中,将颗粒在700℃下烧结10小时,得到第二正极活性材料,碳包覆的Li0.994Mo0.001Mn0.65Fe0.35P0.999Si0.001O3.999F0.001。正极活性材料可用电感耦合等离子体发射光谱(ICP)进行元素含量的检测。
制备例B2
除了将高纯Li2CO3的量改变为0.4885mol,将Mo(SO4)3换成等摩尔的MgSO4,将FeSO4﹒H2O的量改变为0.68mol,在制备掺杂的草酸锰时还加入0.02mol的Ti(SO4)2,并将H4SiO4换成等摩尔的HNO3之外,其他与制备例B1相同。
制备例B3
除了在将高纯Li2CO3的量改变为0.496mol,将Mo(SO4)3换成等摩尔的W(SO4)3,将H4SiO4换成等摩尔的H2SO4之外,其他与制备例B1相同。
制备例B4
除了将高纯Li2CO3的量改变为0.4985mol,将0.001mol的Mo(SO4)3换成0.0005mol的Al2(SO4)3和NH4HF2换成等摩尔的NH4HCl2之外,其他与制备例B1相同。
制备例B5
除了将0.7mol的FeSO4﹒H2O改为0.69mol,在制备掺杂的草酸锰时还加入0.01molVCl2,将Li2CO3的量改变为0.4965mol,将0.001mol的Mo(SO4)3换成0.0005mol的Nb2(SO4)5和H4SiO4换成等摩尔的H2SO4之外,其他与制备例B1相同。
制备例B6
除了将FeSO4﹒H2O的量改为0.68mol,在制备掺杂的草酸锰时还加入0.01mol的VCl2和0.01mol的MgSO4,将Li2CO3的量改变为0.4965mol,将0.001mol的Mo(SO4)3换成0.0005mol的Nb2(SO4)5和H4SiO4换成等摩尔的H2SO4之外,其他与制备例B1相同。
制备例B7
除了将MgSO4换成等摩尔的CoSO4之外,其他与制备例B6相同。
制备例B8
除了将MgSO4换成等摩尔的NiSO4之外,其他与制备例B6相同。
制备例B9
除了将FeSO4﹒H2O的量改为0.698mol,在制备掺杂的草酸锰时还加入0.002mol的Ti(SO4)2,将Li2CO3的量改变为0.4955mol,将0.001mol的Mo(SO4)3换成0.0005mol的Nb2(SO4)5,H4SiO4换成等摩尔的H2SO4,NH4HF2换成等摩尔的NH4HCl2之外,其他与制备例B1相同。
制备例B10
除了将FeSO4﹒H2O的量改为0.68mol,在制备掺杂的草酸锰时还加入0.01mol的VCl2和0.01mol的MgSO4,将Li2CO3的量改变为0.4975mol,将0.001mol的Mo(SO4)3换成0.0005mol的Nb2(SO4)5和NH4HF2换成等摩尔的NH4HBr2之外,其他与制备例B1相同。
制备例B11
除了将FeSO4﹒H2O的量改为0.69mol,在制备掺杂的草酸锰时还加入0.01mol的VCl2,将Li2CO3的量改变为0.499mol,将Mo(SO4)3换成等摩尔的MgSO4和NH4HF2换成等摩尔的NH4HBr2之外,其他与制备例B1相同。
制备例B12
除了将MnSO4﹒H2O的量改为1.36mol,将FeSO4﹒H2O的量改为0.6mol,在制备掺杂的草酸锰时还加入0.04mol的VCl2,将Li2CO3的量改变为0.4985mol,将Mo(SO4)3换成等摩尔的MgSO4和H4SiO4换成等摩尔的HNO3之外,其他与制备例B1相同。
制备例B13
除了将MnSO4﹒H2O的量改为1.16mol,FeSO4﹒H2O的量改为0.8mol之外,其他与制备例B12相同。
制备例B14
除了将MnSO4﹒H2O的量改为1.3mol,VCl2的量改为0.1mol之外,其他与制备例B12相同。
制备例B15
除了将MnSO4﹒H2O的量改为1.2mol,在制备掺杂的草酸锰时还加入0.1mol的VCl2,将Li2CO3的量改变为0.494mol,将0.001mol的Mo(SO4)3换成0.005mol的MgSO4和H4SiO4换成等摩尔的H2SO4之外,其他与制备例B1相同。
制备例B16
除了将MnSO4﹒H2O的量改为1.2mol,在制备掺杂的草酸锰时还加入0.1mol的VCl2,将Li2CO3的量改变为0.467mol,将0.001mol的Mo(SO4)3换成0.005mol的MgSO4,0.001mol的H4SiO4换成0.005mol的H2SO4和1.175mol浓度为85%的磷酸换成1.171mol浓度为85%的磷酸之外,其他与制备例B1相同。
制备例B17
除了将MnSO4﹒H2O的量改为1.2mol,在制备掺杂的草酸锰时还加入0.1mol的VCl2,将Li2CO3的量改变为0.492mol,将0.001mol的Mo(SO4)3换成0.005mol的MgSO4,H4SiO4换成等摩尔的H2SO4和0.0005mol的NH4HF2改成0.0025mol之外,其他与制备例B1相同。
制备例B18
除了将FeSO4﹒H2O的量改为0.5mol,在制备掺杂的草酸锰时还加入0.1mol的VCl2和0.1mol的CoSO4,将Li2CO3的量改变为0.492mol,将0.001mol的Mo(SO4)3换成0.005mol的MgSO4,H4SiO4换成等摩尔的H2SO4和0.0005mol的NH4HF2改成0.0025mol之外,其他与制备例B1相同。
制备例B19
除了将FeSO4﹒H2O的量改为0.4mol,将0.1mol的CoSO4改为0.2mol之外,其他与制备例B18相同。
制备例B20
除了将MnSO4﹒H2O的量改为1.5mol,FeSO4﹒H2O的量改为0.1mol,CoSO4的量改为0.3mol之外,其他与制备例B18相同。
制备例B21
除了将0.1mol的CoSO4换成0.1mol的NiSO4之外,其他与制备例B18相同。
制备例B22
除了将MnSO4﹒H2O的量改为1.5mol,FeSO4﹒H2O的量改为0.2mol,将0.1mol的CoSO4换成0.2mol的NiSO4之外,其他与制备例B18相同。
制备例B23
除了将MnSO4﹒H2O的量改为1.4mol,FeSO4﹒H2O的量改为0.3mol,CoSO4的量改为0.2mol之外,其他与制备例B18相同。
制备例B24
除了将1.3mol的MnSO4﹒H2O改为1.2mol,0.7mol的FeSO4﹒H2O改为0.5mol,在制备掺杂的草酸锰时还加入0.1mol的VCl2和0.2mol的CoSO4,将Li2CO3的量改变为0.497mol,将0.001mol的Mo(SO4)3换成0.005mol的MgSO4,H4SiO4换成等摩尔的H2SO4和0.0005mol的NH4HF2改成0.0025mol之外,其他与制备例B1相同。
制备例B25
除了将MnSO4﹒H2O的量改为1.0mol,FeSO4﹒H2O的量改为0.7mol,CoSO4的量改为0.2mol之外,其他与制备例B18相同。
制备例B26
除了将MnSO4﹒H2O的量改为1.4mol,FeSO4﹒H2O的量改为0.3mol,在制备掺杂的草酸锰时还加入0.1mol的VCl2和0.2mol的CoSO4,将Li2CO3的量改变为0.4825mol,将0.001mol的Mo(SO4)3换成0.005mol的MgSO4,H4SiO4的量改成0.1mol,磷酸的量改成0.9mol和NH4HF2的量改成0.04mol之外,其他与制备例B1相同。
制备例B27
除了将MnSO4﹒H2O的量改为1.4mol,FeSO4﹒H2O的量改为0.3mol,在制备掺杂的草酸锰时还加入0.1mol的VCl2和0.2mol的CoSO4,将Li2CO3的量改变为0.485mol,将0.001mol的Mo(SO4)3换成0.005mol的MgSO4,H4SiO4的量改成0.08mol,磷酸的量改成0.92mol和NH4HF2的量改成0.05mol之外,其他与制备例B1相同。
制备例B28-B41
按照与制备例B1相同的方式制备正极活性材料,但改变制备掺杂的草酸锰时的搅拌转速、温度、在砂磨机中研磨搅拌的时间、烧结温度和烧结时间,具体如下表2所示。
表2制备例B28-B41中制备掺杂的草酸锰时的搅拌转速、温度、在砂磨机中研磨搅拌的时间、烧结温度和烧结时间
/>
制备例B42-B54
按照与制备例B1相同的方式制备正极活性材料,但改变锂源、锰源、磷源和掺杂元素A、B、C、D的源,具体如下表3所示。制得的正极活性材料组成与制备例B1相同,即,均为Li0.994Mo0.001Mn0.65Fe0.35P0.999Si0.001O3.999F0.001。
表3制备例B42-B54中锂源、锰源、磷源和掺杂元素A、B、C、D的源
/>
制备例B55
(1)制备掺杂的草酸锰
将1.2mol MnSO4·H2O与0.79mol FeSO4·H2O在混料机中充分混合6小时;将混合物转移至反应釜中,加入10L去离子水和2mol二水合草酸、0.01molVCl2,加热至80℃,之后以600rpm转速搅拌6小时,反应终止(无气泡产生),得到Fe掺杂的草酸锰的悬浮液;过滤悬浮液,滤饼在120℃下烘干,研磨,得到粒径Dv50为100nm左右的Fe掺杂的草酸锰颗粒;
(2)制备掺杂的磷酸锰锂
取1mol Fe掺杂的草酸锰颗粒、0.45mol碳酸锂、0.05mol的MgSO4、含有0.9mol磷酸的浓度85%的磷酸水溶液、0.1mol的H4SiO4、0.05mol的NH4HF2和0.005mol蔗糖加入到20L去离子水中,将混合物转入砂磨机中充分研磨搅拌10小时,得到浆料;将浆料转移到喷雾干燥设备中进行喷雾干燥造粒,设定干燥温度为250℃,干燥4小时,得到颗粒;在氮气(90%v/v)+氢气(10%v/v)保护气氛中,将颗粒在700℃下烧结10小时,得到正极活性材料。采用电感耦合等离子体发射光谱(ICP)对进行元素含量检测,得到化学式Li0.9Mg0.05Mn0.6Fe0.395V0.00 5P0.9Si0.1O3.9F0.1。
制备例B56
除了步骤(2)中,碳酸锂为0.55mol,MgSO4为0.001mol,NH4HF2为0.001mol之外,其余与制备例B55相同;得到正极活性材料Li1.1Mg0.001Mn0.6Fe0.395V0.005P0.9Si0.1O3.998F0.002。
制备例B57
除了步骤(2)中,MgSO4为0.1mol,浓度85%的磷酸水溶液含0.95mol磷酸,H4SiO4为0.05mol,NH4HF2为0.025mol之外,其余与制备例B55相同;得到正极活性材料Li0.9Mg0.1Mn0.6Fe0.395V0.005P0.95Si0.05O3.95F0.05。
制备例B58
除了步骤(1)中MnSO4·H2O为1.998mol,FeSO4·H2O为0.002mol和不使用VCl2之外;以及除了步骤(2)中碳酸锂为0.475mol,浓度85%的磷酸水溶液含0.96mol磷酸,H4SiO4为0.04mol,NH4HF2为0.01mol之外;其余与制备例B55相同;得到正极活性材料Li0.95Mg0.05Mn0.999Fe0.001P0.96Si0.04O3.99F0.01。
制备例B59
除了步骤(1)中MnSO4·H2O为1.98mol,FeSO4·H2O为0.02mol和不使用VCl2之外;以及除了步骤(2)中碳酸锂为0.475mol,浓度85%的磷酸水溶液含0.96mol磷酸,H4SiO4为0.04mol,NH4HF2为0.01mol之外;其余与制备例B55相同;得到正极活性材料Li0.95Mg0.05Mn0.9 9Fe0.01P0.96Si0.04O3.99F0.01。
制备例B60
除了步骤(1)中MnSO4·H2O为1.6mol,FeSO4·H2O为0.4mol和不使用VCl2之外;以及除了步骤(2)中碳酸锂为0.475mol,浓度85%的磷酸水溶液含0.96mol磷酸,H4SiO4为0.04mol,NH4HF2为0.01mol之外;其余与制备例B55相同;得到正极活性材料Li0.95Mg0.05Mn0. 8Fe0.2P0.96Si0.04O3.99F0.01。
对比制备例B1
制备草酸锰:将1mol的MnSO4﹒H2O加至反应釜中,并加入10L去离子水和1mol二水合草酸(以草酸计)。将反应釜加热至80℃,以600rpm的转速搅拌6小时,反应终止(无气泡产生),得到草酸锰悬浮液。然后过滤悬浮液,将滤饼在120℃下烘干,之后进行研磨,得到中值粒径Dv50为50-200nm的草酸锰颗粒。
制备磷酸锰锂:取1mol上述草酸锰颗粒、0.5mol碳酸锂、含有1mol磷酸的浓度为85%的磷酸水溶液和0.005mol蔗糖加入到20L去离子水中。将混合物转入砂磨机中充分研磨搅拌10小时,得到浆料。将浆料转移到喷雾干燥设备中进行喷雾干燥造粒,设定干燥温度为250℃,干燥4小时,得到颗粒。在氮气(90体积%)+氢气(10体积%)保护气氛中,将上述粉料在700℃下烧结10小时,得到碳包覆的LiMnPO4。
对比制备例B2
除了在对比例1中,将1mol的MnSO4﹒H2O换成0.85mol的MnSO4﹒H2O和0.15mol的FeSO4﹒H2O,并加入到混料机中充分混合6小时之后再加入反应釜之外,其它与对比制备例B1相同。
对比制备例B3
除了将MnSO4﹒H2O的量改为1.9mol,0.7mol的FeSO4﹒H2O换成0.1mol的ZnSO4,将Li2CO3的量改变为0.495mol,将0.001mol的Mo(SO4)3换成0.005mol的MgSO4,将磷酸的量改成1mol,不加入H4SiO4和NH4HF2之外,其他与制备例B1相同。
对比制备例B4
除了将MnSO4﹒H2O的量改为1.2mol,FeSO4﹒H2O的量改为0.8mol,将Li2CO3的量改变为0.45mol,将0.001mol的Mo(SO4)3换成0.005mol的Nb2(SO4)5,将0.999mol的磷酸改成1mol,0.0005mol的NH4HF2改成0.025mol,不加入H4SiO4之外,其他与制备例B1相同。
对比制备例B5
除了将MnSO4﹒H2O的量改为1.4mol,FeSO4﹒H2O的量改为0.6mol,将Li2CO3的量改变为0.38mol,将0.001mol的Mo(SO4)3换成0.12mol的MgSO4之外,其他与制备例B1相同。
对比制备例B6
除了将MnSO4﹒H2O的量改为0.8mol,0.7mol的FeSO4﹒H2O换成1.2mol的ZnSO4,将Li2CO3的量改变为0.499mol,将0.001mol的Mo(SO4)3换成0.001mol的MgSO4之外,其他与制备例B1相同。
对比制备例B7
除了将MnSO4﹒H2O的量改为1.4mol,FeSO4﹒H2O的量改为0.6mol,将Li2CO3的量改变为0.534mol,将0.001mol的Mo(SO4)3换成0.001mol的MgSO4,将磷酸的量改成0.88mol,H4SiO4的量改成0.12mol,NH4HF2的量改成0.025mol之外,其他与制备例B1相同。
对比制备例B8
除了将MnSO4﹒H2O的量改为1.2mol,FeSO4﹒H2O的量改为0.8mol,将Li2CO3的量改变为0.474mol,将0.001mol的Mo(SO4)3换成0.001mol的MgSO4,将磷酸的量改成0.93mol,H4SiO4的量改成0.07mol,NH4HF2的量改成0.06mol之外,其他与制备例B1相同。
混合正极活性材料的制备
实施例1至43及对比例1
将第一正极活性材料与第二正极材料在搅拌罐中搅拌混合,第一正极材料的质量m1,第二正极材料的质量m2,混合正极活性材料的质量为m1+m2。
各实施例及对比例的参数见表4。
表4实施例1至43及对比例1的参数
/>
/>
/>
全电池的制备
将正极活性材料与导电剂乙炔黑、粘结剂聚偏二氟乙烯(PVDF)按重量比92:2.5:5.5在N-甲基吡咯烷酮溶剂体系中混合均匀后,涂覆于铝箔上并烘干、冷压,得到正极极片。涂覆量为0.4g/cm2,压实密度为2.4g/cm3。
将负极活性材料人造石墨、硬碳、导电剂乙炔黑、粘结剂丁苯橡胶(SBR)、增稠剂羧甲基纤维素钠(CMC)按照重量比90:5:2:2:1在去离子水中混合均匀后,涂覆于铜箔上烘干、冷压,得到负极极片。涂覆量为0.2g/cm2,压实密度为1.7g/cm3。
以聚乙烯(PE)多孔聚合薄膜作为隔离膜,将正极极片、隔离膜、负极极片按顺序叠好,使隔离膜处于正负极中间起到隔离的作用,并卷绕得到裸电芯。将裸电芯置于外包装中,注入与上述制备扣电时相同的电解液并封装,得到全电池(下文也称“全电”)。
扣式电池的制备
将正极活性材料、聚偏二氟乙烯(PVDF)、乙炔黑以90:5:5的重量比加入至N-甲基吡咯烷酮(NMP)中,在干燥房中搅拌制成浆料。在铝箔上涂覆上述浆料,干燥、冷压制成正极极片。涂覆量为0.2g/cm2,压实密度为2.0g/cm3。
采用锂片作为负极,采用1mol/L的LiPF6在体积比1:1:1的碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)和碳酸二甲酯(DMC)中溶解为电解液,与上述制备的正极极片一起在扣电箱中组装成扣式电池(下文也称“扣电”)。
上述的正极活性材料可以为第一正极活性材料、第二正极活性材料或混合正极活性材料。
材料性能测试
1.正极活性材料化学式的测定
采用球差电镜仪(ACSTEM)对正极活性材料内部微观结构和表面结构进行高空间分辨率表征,结合三维重构技术得到正极活性材料的化学式。
2.晶格变化率测量方法
在25℃恒温环境下,将正极活性材料样品置于XRD(型号为Bruker D8 Discover)中,采用1°/min对样品进行测试,并对测试数据进行整理分析,参照标准PDF卡片,计算出此时的晶格常数a0、b0、c0和v0(a0,b0和c0表示晶胞各个方面上的长度大小,v0表示晶胞体积,可通过XRD精修结果直接获取)。
将正极活性材料按照上述“扣式电池的制备”制备成扣电,并对上述扣电以0.05C小倍率进行充电,直至电流减小至0.01C。然后将扣电中的正极极片取出,并置于DMC中浸泡8小时。然后烘干,刮粉,并筛选出其中粒径小于500nm的颗粒。取样并按照与上述测试新鲜样品同样的方式计算出其晶格常数v1,将(v0-v1)/v0×100%作为其完全脱嵌锂前后的晶格变化率示于表中。
3.Li/Mn反位缺陷浓度测量方法
将“晶格变化率测量方法”中测试的XRD结果与标准晶体的PDF(PowderDiffraction File)卡片对比,得出Li/Mn反位缺陷浓度。具体而言,将“晶格变化率测量方法”中测试的XRD结果导入通用结构分析系统(GSAS)软件中,自动获得精修结果,其中包含了不同原子的占位情况,通过读取精修结果获得Li/Mn反位缺陷浓度。
4.表面氧价态测量方法
取5g正极活性材料样品按照上述“扣式电池的制备”制备成扣电。对扣电采用0.05C小倍率进行充电,直至电流减小至0.01C。然后将扣电中的正极极片取出,并置于DMC中浸泡8小时。然后烘干,刮粉,并筛选出其中粒径小于500nm的颗粒。将所得颗粒用电子能量损失谱(EELS,所用仪器型号为Talos F200S)进行测量,获取能量损失近边结构(ELNES),其反映元素的态密度和能级分布情况。根据态密度和能级分布,通过对价带态密度数据进行积分,算出占据的电子数,从而推算出充电后的表面氧的价态。
5.压实密度测量方法
取5g正极活性材料的粉末放于压实专用模具(美国CARVER模具,型号13mm)中,然后将模具放在压实密度仪器上。对正极活性材料施加3T的压力,在设备上读出压力下粉末的厚度(卸压后的厚度),通过ρ=m/v,计算出压实密度。
6.循环后Mn(以及Mn位掺杂的Fe)溶出量测量方法
将正极活性材料样品按照上述“全电池的制备”制备成全电池。
采用将45℃下循环至容量衰减至80%后的全电池采用0.1C倍率进行放电至截止电压2.0V。然后将电池拆开,取出负极极片,在负极极片上随机取30个单位面积(1540.25mm2)的圆片,用Agilent ICP-OES730测试电感耦合等离子体发射光谱(ICP)。根据ICP结果计算其中Fe(如果正极活性材料的Mn位掺杂有Fe的话)和Mn的量,从而计算循环后Mn(以及Mn位掺杂的Fe)的溶出量。测试标准依据EPA-6010D-2014。
7.扣式电池初始克容量测量方法
在2.5~4.3V下,将扣式电池按照0.1C充电至4.3V,然后在4.3V下恒压充电至电流小于等于0.05mA,静置5min,然后按照0.1C放电至2.0V,此时的放电容量为初始克容量,记为D0。
8.3C充电恒流比测量方法
在25℃恒温环境下,将新鲜全电池静置5min,按照1/3C放电至2.5V。静置5min,按照1/3C充电至4.3V,然后在4.3V下恒压充电至电流小于等于0.05mA。静置5min,记录此时的充电容量为C0。按照1/3C放电至2.5V,静置5min,再按照3C充电至4.3V,静置5min,记录此时的充电容量为C1。3C充电恒流比即为C1/C0×100%。
3C充电恒流比越高,说明电池的倍率性能越好。
9.全电池45℃循环性能测试
在45℃的恒温环境下,在2.5~4.3V下,将全电池按照1C充电至4.3V,然后在4.3V下恒压充电至电流小于等于0.05mA。静置5min,然后按照1C放电至2.5V,记录此时的放电容量为D0。重复前述充放电循环,直至放电容量降低到D0的80%。记录此时电池经过的循环圈数。
10.全电池60℃胀气测试
在60℃下,存储100%充电状态(SOC)的全电池。在存储前后及过程中测量电芯的开路电压(OCV)和交流内阻(IMP)以监控SOC,并测量电芯的体积。其中在每存储48h后取出全电池,静置1h后测试开路电压(OCV)、内阻(IMP),并在冷却至室温后用排水法测量电芯体积。排水法即先用表盘数据自动进行单位转换的天平单独测量电芯的重力F1,然后将电芯完全置于去离子水(密度已知为1g/cm3)中,测量此时的电芯的重力F2,电芯受到的浮力F浮即为F1-F2,然后根据阿基米德原理F浮=ρ×g×V排,计算得到电芯体积V=(F1-F2)/(ρ×g)。
由OCV、IMP测试结果来看,本实验过程中直至存储结束,实施例的电池始终保持99%以上的SOC。
存储30天后,测量电芯体积,并计算相对于存储前的电芯体积,存储后的电芯体积增加的百分比。
另外,测量电芯残余容量。在2.5~4.3V下,将全电池按照1C充电至4.3V,然后在4.3V下恒压充电至电流小于等于0.05mA。静置5min,记录此时的充电容量为电芯残余容量。
11.比表面积(BET)测量方法
参考GB/T 19587-2004,用比表面积孔隙度分析仪TRISTAR II 3020(美国麦克仪器公司)对正极活性材料进行比表面积测试。测试前将正极活性材料置于真空烘箱200℃干燥≥2h,样品需求量>20g。
12.颗粒度Dv50测试
参考GB/T19077-2016,采用Mastersizer 3000激光衍射粒度分析仪(马尔文帕纳科公司)测定正极活性材料的颗粒度Dv50,其中,溶剂使用去离子水,测试前将正极活性材料超声处理5min。
13.ICP测试(电感耦合等离子体发射光谱法)
参考EPA 6010D-2014,采用iCAP 7400电感耦合等离子体发射光谱仪进行元素含量测试,溶剂选用王水;
粉末类元素含量计算公式:元素含量(质量%)=100%×元素质量/样品质量;
极片类元素含量计算公式:元素含量(质量%)=100%×元素质量/(样品质量-集流体质量)。
14.Li2CO3和LiOH的含量测试(游离锂电位滴定测试)
参考GB/T 9736-2008,采用905电位滴定仪进行测试,取样后立即使用铝塑膜袋进行真空密封,单次测试最少样品量≥30g。
15.晶体类型测试
如果没有特别的说明,在本申请中,术语“单晶/类单晶颗粒”、“准单晶颗粒”、“单晶颗粒”、“单晶材料颗粒”或其类似表述具有基本相似的含义,其意指单个颗粒(即一次颗粒)和/或团聚颗粒,其中的团聚颗粒是由不多于100个(特别是约5至50个)平均粒径在50nm至10000nm范围内的一次颗粒团聚形成的颗粒。
如果没有特别的说明,在本申请中,术语“二次颗粒”和“多晶材料颗粒”通常具有类似的含义,其意指由超过100个平均粒径在50-800nm范围内的一次颗粒团聚形成的颗粒。
采用扫描电镜对正极活性材料进行测试,调整样品和放大倍数使视野内具有大于10个的团聚颗粒,计量组成每个团聚颗粒的一次颗粒数量,并用标尺测量一次颗粒长度方向的尺寸记为粒径,将每个团聚颗粒中的一次颗粒的粒径由大至小排序,去除1/10的粒径最大数据和1/10的粒径最小的数据,剩余粒径数据取平均值作为该团聚颗粒中一次颗粒的平均粒径。如果50%以上(包括50%)数量的团聚颗粒中的一次颗粒的数量和平均粒径符合上述“多晶材料颗粒”的定义,则判定该正极活性材料为多晶材料,否则,判定为单晶或类单晶材料。
其中,制备例A10和制备例A15所制的第一正极活性材料的SEM照片如图7-8所示。
16.热箱安全测试
测试参考GB 38031-2020中安全测试的《加热》章节,并针对上限边界进行探索,优化测试条件如下:
①预准备:
测试条件:准备一个防爆烘箱,可以加热和线路连接口;测试电芯为新鲜裸电芯(循环次数≤10次),在电芯四周、极柱等位置贴上感温线用于温度监控,同时配置有温度记录设备;
测试前电芯处理:采用0.33C倍率电流做恒流恒压充电,电芯满充至标称电压(如本发明中电压为4.3V)。
②测试过程:将样品放在高温箱中,温箱以5℃/min,由室温升至100℃,保持2h;再以5℃/min升温,每5℃保持30min,直至电芯失控(失控标准:电压在1min内下降幅度≥50%,电芯温度在1min升高幅度≥50%)或加热到200℃,停止加热。
③数据处理:根据上述条件找到失效点,得到对应的保温温度和保温时间,记为:时间@温度,如21min@150℃。
④结果对标:
测试过程中持续更长时间测试的样品安全性更高;持续进行更长时间测试的样品可以为:失效点温度相同但时间更长的样品;失效点时间相同但温度更高的样品;失效点的温度和时间均不同但温度更高的样品。
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
由表12可知:
将实施例1-43和对比例1相比较可知,与对比例1所制的二次电池相比,本申请第一正极活性材料与第二正极活性材料混合所制二次电池的循环容量保持率更高,循环寿命更长;并且,本申请实施例1、3-7、9、12-13、23-25、28的混合正极活性材料所制二次电池的安全性比对比例1所制二次电池的安全性更好。
将实施例16、实施例23-29相比较可知,本申请第一正极活性材料和第二正极活性材料的质量关系m1/(m1+m2)在3%-50%之间所制二次电池的循环容量保持率进一步提高,循环寿命进一步延长;
本申请第一正极活性材料和第二正极活性材料的b*m1/m1+m2小于或等于0.457所制二次电池的循环容量保持率高,循环寿命长,安全性高;将实施例16、实施例23-29相比较可知,本申请第一正极活性材料和第二正极活性材料的质量关系b×m1/(m1+m2)在0.025-0.415范围内,所制二次电池的循环容量保持率进一步提高,循环寿命进一步延长,安全性进一步提高。
将实施例1-11、22相比较可知,本申请第一正极活性材料为类单晶时,第一正极活性材料的Dv50粒径小于或等于5.8μm时所制二次电池的循环容量保持率高,循环寿命长,安全性高;并且,第一正极活性材料的Dv50粒径为小于或等于4.3μm,所制二次电池的循环容量保持率更高,循环寿命更长。
将实施例12-21相比较可知,本申请第一正极活性材料为多晶时,第一正极活性材料的Dv50粒径为3.5~13.5μm、BET比表面积小于或等于1.32m2/g且在3T压力下的压实密度大于或等于2.92g/cm3所制二次电池的循环容量保持率更高,循环寿命更长。
将实施例1-8、10-11、22相比较可知,本申请第一正极活性材料为类单晶时,第一正极活性材料LiNibCodMneMfO2中的d选自0.047-0.320所制二次电池的循环容量保持率更高,循环寿命更长。
本申请第一正极活性材料LiNibCodMneMfO2中的b选自0.314-0.970的范围,所制二次电池的循环容量保持率高,循环寿命长,安全性高;将实施例1-11、22相比较可知,第一正极活性材料为单晶或准单晶材料时,b大于0.314且小于0.97(不包括0.314、0.97数值)所制二次电池的循环容量保持率更高,循环寿命更长。
将实施例10、22相比较可知,本申请第一正极活性材料中的碳酸锂质量含量小于或等于1%且氢氧化锂的质量含量小于或等于1%所制二次电池的循环容量保持率更高,循环寿命更长,安全性更高。
将表5和表12比较可知:
与第一正极活性材料所制的二次电池相比,本申请含有相应的第一正极活性材料的混合正极活性材料所制二次电池的安全性更高;与采用制备例A14-A17、A19-A21的第一正极活性材料所制的二次电池相比,本申请含有相应的第一正极活性材料的混合正极活性材料所制二次电池的循环容量保持率更高,循环寿命更长。
将表7、9、10、11和表12比较可知:
与采用制备例B1、B14、B16、B25、B26、B27、B31、B47、B55-B60的第二正极活性材料所制的二次电池相比,本申请含有相应的第二正极活性材料的混合正极活性材料所制二次电池的循环容量保持率更高,循环寿命更长。
需要说明的是,本申请不限定于上述实施方式。上述实施方式仅为示例,在本申请的技术方案范围内具有与技术思想实质相同的构成、发挥相同作用效果的实施方式均包含在本申请的技术范围内。此外,在不脱离本申请主旨的范围内,对实施方式施加本领域技术人员能够想到的各种变形、将实施方式中的一部分构成要素加以组合而构筑的其它方式也包含在本申请的范围内。
Claims (21)
1.一种正极活性材料,包含第一正极活性材料和第二正极活性材料;其中,
所述第一正极活性材料包含化合物LiNibCodMneMfO2,其中,所述b选自0.314-0.970的范围,所述d选自0-0.320的范围、可选为选自0.047-0.320的范围,所述e选自0.006-0.390的范围,并且,所述b、d、e和f的总和为1且f大于0,所述M选自Mn、Al、Mg、Ca、Na、Ti、W、Zr、Sr、Cr、Zn、Ba、B、S和Y中的一种或多种元素,可选地,所述M为Mg和/或Al;
所述第二正极活性材料包含化合物LiaAxMn1-yByP1-zCzO4-nDn,所述a选自0.9至1.1的范围,所述x选自0.001至0.1的范围,所述y选自0.001至0.5的范围,所述z选自0.001至0.1的范围,所述n选自0.001至0.1的范围,所述A选自Zn、Al、Na、K、Mg、Nb、Mo和W中的一种或多种元素,所述B选自Ti、V、Zr、Fe、Ni、Mg、Co、Ga、Sn、Sb、Nb和Ge中的一种或多种元素,所述C选自B、S、Si和N中的一种或多种元素,所述D选自S、F、Cl和Br中的一种或多种元素。
2.根据权利要求1所述的正极活性材料,其中,所述第一正极活性材料的质量为m1,所述第二正极活性材料的质量为m2,并且m1/(m1+m2)的值为2%-55%,可选为3%-50%。
3.根据权利要求1或2所述的正极活性材料,其中,b×m1/(m1+m2)的值为0.017-0.457,可选为0.025-0.415。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的正极活性材料,其中,所述第一正极活性材料为单晶或准单晶材料,所述第一正极活性材料的粒径Dv50为小于或等于5.8μm,可选为2.3-5.8μm,更可选为2.3-4.3μm。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的正极活性材料,其中,所述第一正极活性材料为单晶或准单晶材料时,
所述d选自0.05-0.320的范围,可选为选自0.05-0.282的范围;和/或,
所述b大于0.314且小于0.97,可选为选自0.55-0.869的范围。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的正极活性材料,其中,所述第一正极活性材料为多晶材料时,所述第一正极活性材料的粒径Dv50为3.0~13.5μm、可选为3.5~13.5μm;和/或,
所述第一正极活性材料的BET比表面积小于或等于1.73m2/g、可选为小于或等于1.32m2/g,更可选为0.28-1.32m2/g;和/或,
所述第一正极活性材料在3T压力下的压实密度大于或等于2.90g/cm3,可选为大于或等于2.92g/cm3,更可选为2.92-3.31g/cm3。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的正极活性材料,其中,所述第一正极活性材料还包含碳酸锂和/或氢氧化锂;
可选地,基于所述第一正极活性材料的质量计,所述碳酸锂的质量含量小于或等于1.05%、可选为小于或等于1%,和/或,所述氢氧化锂的质量含量小于或等于1.02%、可选为小于或等于1%。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的正极活性材料,其中,所述A选自Zn、Al、Na、K、Mg、Nb、Mo和W中的任一种元素,所述B选自Ti、V、Zr、Fe、Ni、Mg、Co、Ga、Sn、Sb、Nb和Ge中的至少两种元素,所述C选自B、S、Si和N中的任一种元素,所述D选自S、F、Cl和Br中的任一种元素;
可选地,所述A为Mg或Nb,和/或,
所述B选自Fe、Ti、V、Co和Mg中的至少两种元素,更可选为Fe与选自Ti、V、Co和Mg中的一种或多种元素,和/或,
所述C为S,和/或,
所述D为F。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的正极活性材料,其中,所述x选自0.001至0.005的范围;和/或,
所述y选自0.01至0.5的范围,可选为选自0.25至0.5的范围;和/或,
所述z选自0.001至0.005的范围;和/或,
所述n选自0.001至0.005的范围。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的正极活性材料,其中,(1-y):y的值选自1至4的范围,可选为选自1.5至3的范围,并且,a:x的值选自9到1100的范围,可选为选自190-998的范围。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的正极活性材料,其中,所述第二正极活性材料在完全脱嵌锂前后的晶格变化率为8%以下,可选为4%以下。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的正极活性材料,其中,所述第二正极活性材料的Li/Mn反位缺陷浓度为2%以下,可选为0.5%以下。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的正极活性材料,其中,所述第二正极活性材料的表面氧价态为-1.82以下,可选地为-1.89~-1.98。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的正极活性材料,其中,所述第二正极活性材料在3T下的压实密度为2.0g/cm3以上,可选为2.2g/cm3以上。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的正极活性材料,其中,所述第二正极活性材料还包含碳,所述碳包覆在化合物LiaAxMn1-yByP1-zCzO4-nDn的表面。
16.一种制备正极活性材料的方法,包括如下步骤:
提供第一正极活性材料和第二正极活性材料;
将所述第一正极活性材料和所述第二正极活性材料混合即可;
所述第一正极活性材料包含化合物LiNibCodMneMfO2,所述第二正极活性材料包含化合物LiaAxMn1-yByP1-zCzO4-nDn,其中,a、b、d、e、f、x、y、z、n、M、A、B、C和D的定义如权利要求1至15任一项中所述;
可选地,所述第一正极活性材料还包含碳酸锂和/或氢氧化锂;
可选地,所述第二正极活性材料还包含包覆在化合物LiaAxMn1-yByP1-zCzO4-nDn表面的碳。
17.一种正极极片,其包括正极集流体以及设置在所述正极集流体的至少一个表面的正极膜层,所述正极膜层包括权利要求1至15中任一项所述的正极活性材料或者通过权利要求16所述的方法制备的正极活性材料;可选地,所述正极活性材料在所述正极膜层中的含量为10重量%以上,更可选为95-99.5重量%,基于所述正极膜层的总重量计。
18.一种二次电池,包括权利要求1至15中任一项所述的正极活性材料或者通过权利要求16所述的方法制备的正极活性材料或者权利要求17所述的正极极片。
19.一种电池模块,包括权利要求18所述的二次电池。
20.一种电池包,包括权利要求19所述的电池模块。
21.一种用电装置,包括选自权利要求18所述的二次电池、权利要求19所述的电池模块和权利要求20所述的电池包中的至少一种。
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
PCT/CN2022/105998 WO2024011594A1 (zh) | 2022-07-15 | 2022-07-15 | 正极活性材料及其制备方法、正极极片、二次电池、电池模块、电池包及用电装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN116830301A true CN116830301A (zh) | 2023-09-29 |
Family
ID=88127962
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202280012894.9A Pending CN116830301A (zh) | 2022-07-15 | 2022-07-15 | 正极活性材料及其制备方法、正极极片、二次电池、电池模块、电池包及用电装置 |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN116830301A (zh) |
WO (1) | WO2024011594A1 (zh) |
Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103797622A (zh) * | 2011-06-30 | 2014-05-14 | 株式会社Lg化学 | 具有提高的倍率性能的二次电池用正极活性材料 |
CN103811727A (zh) * | 2013-12-18 | 2014-05-21 | 上海航天电源技术有限责任公司 | 一种安全型锂离子电池正极片及其制备方法 |
CN104577115A (zh) * | 2014-12-26 | 2015-04-29 | 青海时代新能源科技有限公司 | 一种锂离子电池正极材料、其制备方法及应用 |
JP2015118742A (ja) * | 2013-12-16 | 2015-06-25 | 株式会社カネカ | 非水電解質二次電池 |
CN105118985A (zh) * | 2015-08-27 | 2015-12-02 | 北大先行科技产业有限公司 | 一种晶粒尺寸可调的锂离子电池正极材料及其制备方法 |
CN112447968A (zh) * | 2019-09-02 | 2021-03-05 | 宁德时代新能源科技股份有限公司 | 正极活性材料、正极极片及锂离子二次电池 |
CN112447966A (zh) * | 2019-09-02 | 2021-03-05 | 宁德时代新能源科技股份有限公司 | 正极活性材料、正极极片及锂离子二次电池 |
CN114730910A (zh) * | 2020-08-14 | 2022-07-08 | 宁德时代新能源科技股份有限公司 | 二次电池及其制备方法与包含二次电池的电池模块、电池包及装置 |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102427123B (zh) * | 2011-11-14 | 2016-05-18 | 东莞新能源科技有限公司 | 锂离子二次电池及其正极片 |
CN103413943B (zh) * | 2013-08-14 | 2015-06-17 | 湖北万润新能源科技发展有限公司 | 一种磷酸锰锂正极材料及其制备方法 |
CN103682266B (zh) * | 2013-09-27 | 2016-08-17 | 广州有色金属研究院 | 一种Li、Mn位共掺杂磷酸锰锂/碳复合材料及其制备方法 |
-
2022
- 2022-07-15 CN CN202280012894.9A patent/CN116830301A/zh active Pending
- 2022-07-15 WO PCT/CN2022/105998 patent/WO2024011594A1/zh unknown
Patent Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103797622A (zh) * | 2011-06-30 | 2014-05-14 | 株式会社Lg化学 | 具有提高的倍率性能的二次电池用正极活性材料 |
JP2015118742A (ja) * | 2013-12-16 | 2015-06-25 | 株式会社カネカ | 非水電解質二次電池 |
CN103811727A (zh) * | 2013-12-18 | 2014-05-21 | 上海航天电源技术有限责任公司 | 一种安全型锂离子电池正极片及其制备方法 |
CN104577115A (zh) * | 2014-12-26 | 2015-04-29 | 青海时代新能源科技有限公司 | 一种锂离子电池正极材料、其制备方法及应用 |
CN105118985A (zh) * | 2015-08-27 | 2015-12-02 | 北大先行科技产业有限公司 | 一种晶粒尺寸可调的锂离子电池正极材料及其制备方法 |
CN112447968A (zh) * | 2019-09-02 | 2021-03-05 | 宁德时代新能源科技股份有限公司 | 正极活性材料、正极极片及锂离子二次电池 |
CN112447966A (zh) * | 2019-09-02 | 2021-03-05 | 宁德时代新能源科技股份有限公司 | 正极活性材料、正极极片及锂离子二次电池 |
CN114730910A (zh) * | 2020-08-14 | 2022-07-08 | 宁德时代新能源科技股份有限公司 | 二次电池及其制备方法与包含二次电池的电池模块、电池包及装置 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2024011594A1 (zh) | 2024-01-18 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
WO2023066393A1 (zh) | 正极活性材料、正极极片、二次电池、电池模块、电池包和用电装置 | |
WO2023184355A1 (zh) | 正极活性材料、其制备方法以及包含其的正极极片、二次电池及用电装置 | |
WO2024051216A1 (zh) | 复合正极活性材料及其制备方法和包含其的用电装置 | |
WO2024011596A1 (zh) | 正极活性材料、正极活性材料的制备方法、正极极片、二次电池、电池模块、电池包及用电装置 | |
WO2023066394A1 (zh) | 正极活性材料、正极极片、二次电池、电池模块、电池包和用电装置 | |
WO2023065359A1 (zh) | 正极活性材料、正极极片、二次电池、电池模块、电池包和用电装置 | |
EP4318662A1 (en) | Spinel lithium nickel manganese oxide material and preparation method therefor | |
CN116830301A (zh) | 正极活性材料及其制备方法、正极极片、二次电池、电池模块、电池包及用电装置 | |
WO2023184511A1 (zh) | 正极活性材料、其制备方法以及包含其的正极极片、二次电池及用电装置 | |
WO2024065213A1 (zh) | 正极活性材料、其制备方法以及包含其的正极极片、二次电池及用电装置 | |
WO2023184512A1 (zh) | 正极活性材料、其制备方法以及包含其的正极极片、二次电池及用电装置 | |
WO2023184408A1 (zh) | 正极活性材料、其制备方法以及包含其的正极极片、二次电池及用电装置 | |
WO2023240617A1 (zh) | 具有核-壳结构的正极活性材料及制备方法、正极极片、二次电池、电池模块、电池包和用电装置 | |
WO2024011595A1 (zh) | 一种正极活性材料及其制备方法、正极极片、二次电池、电池模块、电池包及用电装置 | |
WO2023225796A1 (zh) | 正极活性材料、其制备方法、正极极片、二次电池、电池模块、电池包和用电装置 | |
WO2024011621A1 (zh) | 磷酸锰铁锂正极活性材料及其制备方法、正极极片、二次电池及用电装置 | |
WO2023184494A1 (zh) | 正极活性材料、其制备方法以及包含其的正极极片、二次电池及用电装置 | |
WO2024082309A1 (zh) | 碳质材料及其制备方法、以及含有其的二次电池和用电装置 | |
WO2024050758A1 (zh) | 含锂镍锰复合氧化物、其制备方法以及包含其的正极极片、二次电池及用电装置 | |
WO2024065150A1 (zh) | 正极活性材料、其制备方法以及包含其的正极极片、二次电池及用电装置 | |
WO2023184496A1 (zh) | 二次电池、电池模块、电池包和用电装置 | |
WO2023184502A1 (zh) | 正极活性材料、其制备方法以及包含其的正极极片、二次电池及用电装置 | |
WO2024059980A1 (zh) | 含锂镍锰复合氧化物、其制备方法以及包含其的正极极片、二次电池及用电装置 | |
WO2023245345A1 (zh) | 一种具有核-壳结构的正极活性材料、其制备方法、正极极片、二次电池、电池模块、电池包及用电装置 | |
EP4303960A1 (en) | Positive electrode active material and preparation method therefor, secondary battery, battery module, battery pack, and electrical device |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination |